Abstract The structure of the human neocortex underlies species-specific features and is a reflection of intricate developmental programs. Here we analyzed neocortical cellular lineages through a comprehensive assessment of brain somatic mosaicism—which acts as a neutral recorder of lineage history. We employed deep whole genome and variant sequencing in a single postmortem neurotypical human brain across 25 anatomic regions and three distinct modalities: bulk geographies, sorted cell types, and single nuclei. We identified 259 mosaic variants, revealing remarkable differences in localization, clonal abundance, cell type specificity, and clade distribution. We identified a set of hierarchical cellular diffusion barriers, whereby the left-right axis separation of the neocortex occurs prior to anterior-posterior and dorsal-ventral axis separation. We also found that stochastic distribution is a driver of clonal dispersion, and that rules regarding cellular lineages and anatomical boundaries are often ignored. Our data provides a comprehensive analysis of brain somatic mosaicism across the human cerebral cortex, deconvolving clonal distributions and migration patterns in the human embryo. One Sentence Summary Comprehensive evaluation of brain somatic mosaicism in the adult human identifies rules governing cellular distribution during embryogenesis.

Summary Every newborn harbors scores of new single nucleotide variants (SNVs) that may impact health and disease 1–4 ; the majority of these are contributed by the paternal germ cells 5 . In some cases, these mutations are identifiable in a subset of the parents’ cells—a phenomenon called mosaicism, which is capable of producing disease recurrence 6–8 . Here, we provide a comprehensive analysis of male gonadal mosaic mutations, employing 300× whole genome sequencing (WGS) of blood and sperm in 17 healthy individuals, including assessment across multiple samples and age groups. Approximately 1 in 15 healthy males is predicted to harbor a transmissible, likely pathogenic exonic variant that is mosaic in his sperm. In general, only a third of sperm mosaic mutations were detectable in blood cells, all were remarkably stable over the course of months to years, and 23% were present in 5% or more of sperm cells. There was no evidence of age-dependent clonal expansion or collapse, as seen in hematopoiesis. Thus, despite the observed increase of mutations in offspring of men with advanced paternal age, detectable sperm mosaicism remains stable, represents a life-long transmission risk to offspring, and suggests a testis stem cell niche that prevents widespread clonality.

Purpose: Next-generation sequencing (NGS) is widely used and cost-effective. Depending on the specific methods, NGS can have limitations detecting certain technically challenging variant types even though they are both prevalent in patients and medically important. These types are underrepresented in validation studies, hindering the uniform assessment of test methodologies by laboratory directors and clinicians. Specimens containing such variants can be difficult to obtain; thus, we evaluated a novel solution to this problem. Methods: A diverse set of technically challenging variants was synthesized and introduced into a known genomic background. This specimen was sequenced by 7 laboratories using 10 different NGS workflows. Results: The specimen was compatible with all 10 workflows and presented biochemical and bioinformatic challenges similar to those of patient specimens. Only 10 of 22 challenging variants were correctly identified by all 10 workflows, and only 3 workflows detected all 22. Many, but not all, of the sensitivity limitations were bioinformatic in nature. Conclusions: Synthetic controls can provide an efficient and informative mechanism to augment studies with technically challenging variants that are difficult to obtain otherwise. Data from such specimens can facilitate inter-laboratory methodologic comparisons and can help establish standards that improve communication between clinicians and laboratories.

Autism spectrum disorder (ASD) is a genetically heterogeneous condition, caused by a combination of rare de novo and inherited variants as well as common variants in at least several hundred genes. However, significantly larger sample sizes are needed to identify the complete set of genetic risk factors. We conducted a pilot study for SPARK (SPARKForAutism.org) of 457 families with ASD, all consented online. Whole exome sequencing (WES) and genotyping data were generated for each family using DNA from saliva. We identified variants in genes and loci that are clinically recognized causes or significant contributors to ASD in 10.4% of families without previous genetic findings. Additionally, we identified variants that are possibly associated with autism in an additional 3.4% of families. A meta-analysis using the TADA framework at a false discovery rate (FDR) of 0.2 provides statistical support for 34 ASD risk genes with at least one damaging variant identified in SPARK. Nine of these genes (BRSK2, DPP6, EGR3, FEZF2, ITSN1, KDM1B, NR4A2, PAX5 and RALGAPB) are newly emerging genes in autism, of which BRSK2 has the strongest statistical support as a risk gene for autism (TADA q-value = 0.0015). Future studies leveraging the thousands of individuals with ASD that have enrolled in SPARK are likely to further clarify the genetic risk factors associated with ASD as well as allow accelerate autism research that incorporates genetic etiology.

BACKGROUND: Genetic disorders are a leading cause of morbidity and mortality in infants. Rapid Whole Genome Sequencing (rWGS) can diagnose genetic disorders in time to change acute medical or surgical management (clinical utility) and improve outcomes in acutely ill infants. METHODS: Retrospective cohort study of acutely ill inpatient infants in a regional childrens hospital from July 2016-March 2017. Forty-two families received rWGS for etiologic diagnosis of genetic disorders. Probands received standard genetic testing as clinically indicated. Primary end-points were rate of diagnosis, clinical utility, and healthcare utilization. The latter was modelled in six infants by comparing actual utilization with matched historical controls and/or counterfactual utilization had rWGS been performed at different time points. FINDINGS: The diagnostic sensitivity was 43% (eighteen of 42 infants) for rWGS and 10% (four of 42 infants) for standard of care (P=.0005). The rate of clinical utility for rWGS (31%, thirteen of 42 infants) was significantly greater than for standard of care (2%, one of 42; P=.0015). Eleven (26%) infants with diagnostic rWGS avoided morbidity, one had 43% reduction in likelihood of mortality, and one started palliative care. In six of the eleven infants, the changes in management reduced inpatient cost by $800, 000 to $2,000,000. DISCUSSION: These findings replicate a prior study of the clinical utility of rWGS in acutely ill inpatient infants, and demonstrate improved outcomes and net healthcare savings. rWGS merits consideration as a first tier test in this setting. Clinical trial registration ID #NCT02917460