The genetic architecture of autism spectrum disorder involves the interplay of common and rare variants and their impact on hundreds of genes. Using exome sequencing, here we show that analysis of rare coding variation in 3,871 autism cases and 9,937 ancestry-matched or parental controls implicates 22 autosomal genes at a false discovery rate (FDR) < 0.05, plus a set of 107 autosomal genes strongly enriched for those likely to affect risk (FDR < 0.30). These 107 genes, which show unusual evolutionary constraint against mutations, incur de novo loss-of-function mutations in over 5% of autistic subjects. Many of the genes implicated encode proteins for synaptic formation, transcriptional regulation and chromatin-remodelling pathways. These include voltage-gated ion channels regulating the propagation of action potentials, pacemaking and excitability–transcription coupling, as well as histone-modifying enzymes and chromatin remodellers—most prominently those that mediate post-translational lysine methylation/demethylation modifications of histones. Whole-exome sequencing in a large autism study identifies over 100 autosomal genes that are likely to affect risk for the disorder; these genes, which show unusual evolutionary constraint against mutations, carry de novo loss-of-function mutations in over 5% of autistic subjects and many function in synaptic, transcriptional and chromatin-remodelling pathways. Autism spectrum disorder (ASD) is a broad group of brain development disorders, including autism, childhood disintegrative disorder and Asperger's syndrome, characterized by impaired social interaction and communication, repetitive behaviour and restricted interests. Two groups reporting in this issue of Nature have used large-scale whole-exome sequencing to examine the contribution of inherited and germline de novo mutations to ASD risk. Silvia De Rubeis et al. analysed DNA samples from 3,871 autism cases and 9,937 ancestry-matched or parental controls and identify more than 100 autosomal genes that are likely to affect risk for the disease. De novo loss-of-function mutations were detected in more than 5% of autistic subjects. Many of the associated gene products appear to function in synaptic, transcriptional, and chromatin remodelling pathways. Ivan Iossifov et al. sequenced exomes from more than 2,500 families, each with one child with ASD. They identify 27 high-confidence gene targets and estimate that 13% of de novo missense mutations and 43% of de novo 'likely gene-disrupting' (LGD) mutations contribute to 12% and 9% of diagnoses, respectively.

The dentate granule cell layer of the rodent hippocampal formation has the distinctive property of ongoing neurogenesis that continues throughout adult life. In both human temporal lobe epilepsy and rodent models of limbic epilepsy, this same neuronal population undergoes extensive remodeling, including reorganization of mossy fibers, dispersion of the granule cell layer, and the appearance of granule cells in ectopic locations within the dentate gyrus. The mechanistic basis of these abnormalities, as well as their potential relationship to dentate granule cell neurogenesis, is unknown. We used a systemic chemoconvulsant model of temporal lobe epilepsy and bromodeoxyuridine (BrdU) labeling to investigate the effects of prolonged seizures on dentate granule cell neurogenesis in adult rats, and to examine the contribution of newly differentiated dentate granule cells to the network changes seen in this model. Pilocarpine-induced status epilepticus caused a dramatic and prolonged increase in cell proliferation in the dentate subgranular proliferative zone (SGZ), an area known to contain neuronal precursor cells. Colocalization of BrdU-immunolabeled cells with the neuron-specific markers turned on after division, 64 kDa, class III beta-tubulin, or microtubule-associated protein-2 showed that the vast majority of these mitotically active cells differentiated into neurons in the granule cell layer. Newly generated dentate granule cells also appeared in ectopic locations in the hilus and inner molecular layer of the dentate gyrus. Furthermore, developing granule cells projected axons aberrantly to both the CA3 pyramidal cell region and the dentate inner molecular layer. Induction of hippocampal seizure activity by perforant path stimulation resulted in an increase in SGZ mitotic activity similar to that seen with pilocarpine administration. These observations indicate that prolonged seizure discharges stimulate dentate granule cell neurogenesis, and that hippocampal network plasticity associated with epileptogenesis may arise from aberrant connections formed by newly born dentate granule cells.

Analysis of de novo CNVs (dnCNVs) from the full Simons Simplex Collection (SSC) (N = 2,591 families) replicates prior findings of strong association with autism spectrum disorders (ASDs) and confirms six risk loci (1q21.1, 3q29, 7q11.23, 16p11.2, 15q11.2-13, and 22q11.2). The addition of published CNV data from the Autism Genome Project (AGP) and exome sequencing data from the SSC and the Autism Sequencing Consortium (ASC) shows that genes within small de novo deletions, but not within large dnCNVs, significantly overlap the high-effect risk genes identified by sequencing. Alternatively, large dnCNVs are found likely to contain multiple modest-effect risk genes. Overall, we find strong evidence that de novo mutations are associated with ASD apart from the risk for intellectual disability. Extending the transmission and de novo association test (TADA) to include small de novo deletions reveals 71 ASD risk loci, including 6 CNV regions (noted above) and 65 risk genes (FDR ≤ 0.1).

We have undertaken a genome-wide analysis of rare copy-number variation (CNV) in 1124 autism spectrum disorder (ASD) families, each comprised of a single proband, unaffected parents, and, in most kindreds, an unaffected sibling. We find significant association of ASD with de novo duplications of 7q11.23, where the reciprocal deletion causes Williams-Beuren syndrome, characterized by a highly social personality. We identify rare recurrent de novo CNVs at five additional regions, including 16p13.2 (encompassing genes USP7 and C16orf72) and Cadherin 13, and implement a rigorous approach to evaluating the statistical significance of these observations. Overall, large de novo CNVs, particularly those encompassing multiple genes, confer substantial risks (OR = 5.6; CI = 2.6–12.0, p = 2.4 × 10-7). We estimate there are 130–234 ASD-related CNV regions in the human genome and present compelling evidence, based on cumulative data, for association of rare de novo events at 7q11.23, 15q11.2-13.1, 16p11.2, and Neurexin 1.

Genome sequencing is often pivotal in the diagnosis of rare diseases, but many of these conditions lack specific treatments. We describe how molecular diagnosis of a rare, fatal neurodegenerative condition led to the rational design, testing, and manufacture of milasen, a splice-modulating antisense oligonucleotide drug tailored to a particular patient. Proof-of-concept experiments in cell lines from the patient served as the basis for launching an "N-of-1" study of milasen within 1 year after first contact with the patient. There were no serious adverse events, and treatment was associated with objective reduction in seizures (determined by electroencephalography and parental reporting). This study offers a possible template for the rapid development of patient-customized treatments. (Funded by Mila's Miracle Foundation and others.).

There is tremendous potential for genome sequencing to improve clinical diagnosis and care once it becomes routinely accessible, but this will require formalizing research methods into clinical best practices in the areas of sequence data generation, analysis, interpretation and reporting. The CLARITY Challenge was designed to spur convergence in methods for diagnosing genetic disease starting from clinical case history and genome sequencing data. DNA samples were obtained from three families with heritable genetic disorders and genomic sequence data were donated by sequencing platform vendors. The challenge was to analyze and interpret these data with the goals of identifying disease-causing variants and reporting the findings in a clinically useful format. Participating contestant groups were solicited broadly, and an independent panel of judges evaluated their performance. A total of 30 international groups were engaged. The entries reveal a general convergence of practices on most elements of the analysis and interpretation process. However, even given this commonality of approach, only two groups identified the consensus candidate variants in all disease cases, demonstrating a need for consistent fine-tuning of the generally accepted methods. There was greater diversity of the final clinical report content and in the patient consenting process, demonstrating that these areas require additional exploration and standardization. The CLARITY Challenge provides a comprehensive assessment of current practices for using genome sequencing to diagnose and report genetic diseases. There is remarkable convergence in bioinformatic techniques, but medical interpretation and reporting are areas that require further development by many groups.

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.

Autism spectrum disorders (ASD) are early onset neurodevelopmental syndromes typified by impairments in reciprocal social interaction and communication, accompanied by restricted and repetitive behaviors. While rare and especially de novo genetic variation are known to affect liability, whether common genetic polymorphism plays a substantial role is an open question and the relative contribution of genes and environment is contentious. It is probable that the relative contributions of rare and common variation, as well as environment, differs between ASD families having only a single affected individual (simplex) versus multiplex families who have two or more affected individuals.By using quantitative genetics techniques and the contrast of ASD subjects to controls, we estimate what portion of liability can be explained by additive genetic effects, known as narrow-sense heritability. We evaluate relatives of ASD subjects using the same methods to evaluate the assumptions of the additive model and partition families by simplex/multiplex status to determine how heritability changes with status.By analyzing common variation throughout the genome, we show that common genetic polymorphism exerts substantial additive genetic effects on ASD liability and that simplex/multiplex family status has an impact on the identified composition of that risk. As a fraction of the total variation in liability, the estimated narrow-sense heritability exceeds 60% for ASD individuals from multiplex families and is approximately 40% for simplex families. By analyzing parents, unaffected siblings and alleles not transmitted from parents to their affected children, we conclude that the data for simplex ASD families follow the expectation for additive models closely. The data from multiplex families deviate somewhat from an additive model, possibly due to parental assortative mating.Our results, when viewed in the context of results from genome-wide association studies, demonstrate that a myriad of common variants of very small effect impacts ASD liability.

Although there is increasing recognition of the role of somatic mutations in genetic disorders, the prevalence of somatic mutations in neurodevelopmental disease and the optimal techniques to detect somatic mosaicism have not been systematically evaluated.

PurposeTo develop an evidence-based clinical practice guideline for the use of exome and genome sequencing (ES/GS) in the care of pediatric patients with one or more congenital anomalies (CA) with onset prior to age 1 year or developmental delay (DD) or intellectual disability (ID) with onset prior to age 18 years.MethodsThe Pediatric Exome/Genome Sequencing Evidence-Based Guideline Work Group (n = 10) used the Grading of Recommendations Assessment, Development and Evaluation (GRADE) evidence to decision (EtD) framework based on the recent American College of Medical Genetics and Genomics (ACMG) systematic review, and an Ontario Health Technology Assessment to develop and present evidence summaries and health-care recommendations. The document underwent extensive internal and external peer review, and public comment, before approval by the ACMG Board of Directors.ResultsThe literature supports the clinical utility and desirable effects of ES/GS on active and long-term clinical management of patients with CA/DD/ID, and on family-focused and reproductive outcomes with relatively few harms. Compared with standard genetic testing, ES/GS has a higher diagnostic yield and may be more cost-effective when ordered early in the diagnostic evaluation.ConclusionWe strongly recommend that ES/GS be considered as a first- or second-tier test for patients with CA/DD/ID.