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.

Recessive diseases arise when both the maternal and the paternal copies of a gene are impacted by a damaging genetic variant in the affected individual. When a patient carries two different potentially causal variants in a gene for a given disorder, accurate diagnosis requires determining that these two variants occur on different copies of the chromosome (i.e., are in trans) rather than on the same copy (i.e. in cis). However, current approaches for determining phase, beyond parental testing, are limited in clinical settings. We developed a strategy for inferring phase for rare variant pairs within genes, leveraging genotypes observed in exome sequencing data from the Genome Aggregation Database (gnomAD v2, n=125,748). When applied to trio data where phase can be determined by transmission, our approach estimates phase with 95.7% accuracy and remains accurate even for very rare variants (allele frequency < 1×10-4). We also correctly phase 95.9% of variant pairs in a set of 293 patients with Mendelian conditions carrying presumed causal compound heterozygous variants. We provide a public resource of phasing estimates from gnomAD, including phasing estimates for coding variants across the genome and counts per gene of rare variants in trans, that can aid interpretation of rare co-occurring variants in the context of recessive disease.

Abstract Since the first novel gene discovery for a Mendelian condition was made via exome sequencing (ES), the rapid increase in the number of genes known to underlie Mendelian conditions coupled with the adoption of exome (and more recently, genome) sequencing by diagnostic testing labs has changed the landscape of genomic testing for rare disease. Specifically, many individuals suspected to have a Mendelian condition are now routinely offered clinical ES. This commonly results in a precise genetic diagnosis but frequently overlooks the identification of novel candidate genes. Such candidates are also less likely to be identified in the absence of large-scale gene discovery research programs. Accordingly, clinical laboratories have both the opportunity, and some might argue a responsibility, to contribute to novel gene discovery which should in turn increase the diagnostic yield for many conditions. However, clinical diagnostic laboratories must necessarily balance priorities for throughput, turnaround time, cost efficiency, clinician preferences, and regulatory constraints, and often do not have the infrastructure or resources to effectively participate in either clinical translational or basic genome science research efforts. For these and other reasons, many laboratories have historically refrained from broadly sharing potentially pathogenic variants in novel genes via networks like Matchmaker Exchange, much less reporting such results to ordering providers. Efforts to report such results are further complicated by a lack of guidelines for clinical reporting and interpretation of variants in novel candidate genes. Nevertheless, there are myriad benefits for many stakeholders, including patients/families, clinicians, researchers, if clinical laboratories systematically and routinely identify, share, and report novel candidate genes. To facilitate this change in practice, we developed criteria for triaging, sharing, and reporting novel candidate genes that are most likely to be promptly validated as underlying a Mendelian condition and translated to use in clinical settings.

Missense variants can have a range of functional impacts depending on factors such as the specific amino acid substitution and location within the gene. To interpret their deleteriousness, studies have sought to identify regions within genes that are specifically intolerant of missense variation 1-12 . Here, we leverage the patterns of rare missense variation in 125,748 individuals in the Genome Aggregation Database (gnomAD) 13 against a null mutational model to identify transcripts that display regional differences in missense constraint. Missense-depleted regions are enriched for ClinVar 14 pathogenic variants, de novo missense variants from individuals with neurodevelopmental disorders (NDDs) 15,16 , and complex trait heritability. Following ClinGen calibration recommendations for the ACMG/AMP guidelines, we establish that regions with less than 20% of their expected missense variation achieve moderate support for pathogenicity. We create a missense deleteriousness metric (MPC) that incorporates regional constraint and outperforms other deleteriousness scores at stratifying case and control de novo missense variation, with a strong enrichment in NDDs. These results provide additional tools to aid in missense variant interpretation.

We delineate a KMT2E gene-related neurodevelopmental disorder based on 38 individuals in 36 families. This includes 31 distinct heterozygous variants in the KMT2E gene (28 ascertained from Matchmaker Exchange and 3 previously reported), and 4 individuals with chromosome 7q22.2-22.23 microdeletions encompassing the KMT2E gene (1 previously reported). Almost all variants occurred de novo, and most were truncating. Most affected individuals with protein-truncating variants presented with mild intellectual disability. One-quarter of individuals met criteria for autism. Additional common features include macrocephaly, hypotonia, functional gastrointestinal abnormalities, and a subtle facial gestalt. Epilepsy was present in about one-fifth of individuals with truncating variants, and was responsive to treatment with anti-epileptic medications in almost all. Over 70% of the individuals were male and expressivity was variable by sex, with epilepsy more common in females and autism more common in males. The four individuals with microdeletions encompassing KMT2E generally presented similarly to those with truncating variants, but the degree of developmental delay was greater. The group of four individuals with missense variants in KMT2E presented with the most severe developmental delays. Epilepsy was present in all individuals with missense variants, often manifesting as treatment-resistant infantile epileptic encephalopathy. Microcephaly was also common in this group. Haploinsufficiency versus gain-of-function or dominant negative effects specific to these missense variants in KMT2E may explain this divergence in phenotype, but requires independent validation. Disruptive variants in KMT2E are an under-recognized cause of neurodevelopmental abnormalities.