Abstract We identified ten persons in six consanguineous families with Distal Arthrogryposis (DA) who had congenital contractures, scoliosis, and short stature. Exome sequencing revealed that each affected person was homozygous for one of two different rare variants (c.470G>T, p.(Cys157Phe) or c.469T>C, p.(Cys157Arg)) affecting the same residue of myosin light chain, phosphorylatable, fast skeletal muscle ( MYLPF) . In a seventh family, a c.487G>A, p.(Gly163Ser) variant in MYLPF arose de novo in a father, who transmitted it to his son. In an eighth family comprised of seven individuals with dominantly-inherited DA, a c.98C>T, p.(Ala33Val) variant segregated in all four persons tested. Variants in MYLPF underlie both dominant and recessively inherited DA. Mylpf protein models suggest that the residues associated with dominant DA interact with myosin whereas the residues altered in families with recessive DA only indirectly impair this interaction. Pathological and histological exam of a foot amputated from an affected child revealed complete absence of skeletal muscle (i.e., segmental amyoplasia). To investigate the mechanism for this finding, we generated an animal model for partial MYLPF impairment by knocking out zebrafish mylpfa . The mylpfa mutant had reduced trunk contractile force and complete pectoral fin paralysis, demonstrating that mylpf impairment most severely affects limb movement. mylpfa mutant muscle weakness was most pronounced in an appendicular muscle and was explained by reduced myosin activity and fiber degeneration. Collectively, our findings demonstrate that partial loss of MYLPF function can lead to congenital contractures, likely as a result of degeneration of skeletal muscle in the distal limb.

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.

Purpose: The pace of Mendelian gene discovery is slowed by the "n-of-1 problem" - the difficulty of establishing causality of a putatively pathogenic variant in a single person or family. Identification of an unrelated person with an overlapping phenotype and suspected pathogenic variant in the same gene can overcome this barrier but is often impeded by lack of a convenient or widely-available way to share data on candidate variants / genes among families, clinicians and researchers. Methods: Social networking among families, clinicians and researchers was used to identify three children with variants of unknown significance in KDM1A and similar phenotypes. Results: De novo variants in KDM1A underlie a new syndrome characterized by developmental delay and distinctive facial features. Conclusion: Social networking is a potentially powerful strategy to discover genes for rare Mendelian conditions, particularly those with non-specific phenotypic features. To facilitate the efforts of families to share phenotypic and genomic information with each other, clinicians, and researchers, we developed the Repository for Mendelian Genomics Family Portal (RMD-FP). Design and development of a web-based tool, MyGene2, that enables families, clinicians and researchers to search for gene matches based on analysis of phenotype and exome data deposited into the RMD-FP is underway.

Freeman-Sheldon syndrome, or distal arthrogryposis type 2A (DA2A), is an autosomal dominant condition caused by mutations in MYH3 and characterized by multiple congenital contractures of the face and limbs and normal cognitive development. We identified a subset of five simplex cases putatively diagnosed with “DA2A with severe neurological abnormalities” in which the proband had Congenital Contractures of the LImbs and FAce, Hypotonia, and global Developmental Delay often resulting in early death, a unique condition that we now refer to as CLIFAHDD syndrome. Exome sequencing identified missense mutations in sodium leak channel, nonselective (NALCN) in four families with CLIFAHDD syndrome. Using molecular inversion probes to screen NALCN in a cohort of 202 DA cases as well as concurrent exome sequencing of six other DA cases revealed NALCN mutations in ten additional families with “atypical” forms of DA. All fourteen mutations were missense variants predicted to alter amino acid residues in or near the S5 and S6 pore-forming segments of NALCN, highlighting the functional importance of these segments. In vitro functional studies demonstrated that mutant NALCN nearly abolished the expression of wildtype NALCN, suggesting that mutations that cause CLIFAHDD syndrome have a dominant negative effect. In contrast, homozygosity for mutations in other regions of NALCN has been reported in three families with an autosomal recessive condition characterized mainly by hypotonia and severe intellectual disability. Accordingly, mutations in NALCN can cause either a recessive or dominant condition with varied though overlapping phenotypic features perhaps depending on the type of mutation and affected protein domain(s).

Infantile encephalopathies are a group of clinically and biologically heterogeneous disorders for which the genetic basis remains largely unknown. Here, we report a previously unrecognized syndromic neonatal encephalopathy characterized by profound developmental disability, severe hypotonia, seizures, diminished respiratory drive requiring mechanical ventilation, brain atrophy, corpus callosum dysgenesis, cerebellar vermis hypoplasia, and facial dysmorphism. Biallelic inactivating mutations in TBCK (TBC1 domain-containing kinase) were independently identified by Whole-Exome Sequencing (WES) as the cause of this condition in four unrelated families. Matching these families was facilitated by sharing phenotypic profiles and WES data in a recently released web-based tool (Geno2MP) that links phenotypic information to rare variants in families with Mendelian traits. TBCK is a putative GTPase-activating protein (GAP) for small GTPases of the Rab family and has been shown to control cell growth and proliferation, actin cytoskeleton dynamics, and mTOR signaling. Two of the three mutations are predicted to truncate the protein (c.376C>T [p.Arg126*] and c.1363A>T [p.Lys455*]), and loss of the major TBCK isoform was confirmed in primary fibroblasts from one affected individual. The third mutation, c.1532G>A [p.Arg511His], alters a conserved residue within the TBC1 domain. Structural analysis implicates Arg511 as a required residue for Rab-GAP function, and in silico homology modeling predicts impaired GAP function in the corresponding mutant. These results suggest loss of Rab-GAP activity is the underlying mechanism of disease. In contrast to other disorders caused by dysregulated mTOR signaling associated with focal or global brain overgrowth, impaired TBCK function results in progressive loss of brain volume.

Multiple pterygium syndromes (MPS) are a phenotypically and genetically heterogeneous group of rare Mendelian conditions characterized by multiple pterygia, scoliosis and congenital contractures of the limbs. MPS typically segregates as an autosomal recessive disorder but rare instances of autosomal dominant transmission have been reported. While several mutations causing recessive MPS have been identified, the genetic basis of dominant MPS remains unknown. We identified four families with dominantly transmitted MPS characterized by pterygia, camptodactyly of the hands, vertebral fusions, and scoliosis. Exome sequencing identified predicted protein-altering mutations in embryonic myosin heavy chain (MYH3) in three families. MYH3 mutations underlie distal arthrogryposis types 1, 2A and 2B, but all mutations reported to date occur in the head and neck domains. In contrast, two of the mutations found to cause MPS occurred in the tail domain. The phenotypic overlap among persons with MPS coupled with physical findings distinct from other conditions caused by mutations in MYH3, suggests that the developmental mechanism underlying MPS differs from other conditions and / or that certain functions of embryonic myosin may be perturbed by disruption of specific residues / domains. Moreover, the vertebral fusions in persons with MPS coupled with evidence of MYH3 expression in bone suggests that embryonic myosin plays a previously unknown role in skeletal development.

Abstract Mutations in GLE1 underlie Lethal Congenital Contracture syndrome (LCCS1) and Lethal Arthrogryposis with Anterior Horn Cell Disease (LAAHD). Both LCCS1 and LAAHD are characterized by reduced fetal movements, congenital contractures, and a severe form of motor neuron disease that results in fetal death or death in the perinatal period, respectively. Via trio-exome sequencing, we identified bi-allelic mutations in GLE1 in two unrelated individuals with motor delays, feeding difficulties and respiratory insufficiency who survived beyond the perinatal period. Each affected child had missense variants predicted to result in amino acid substitutions near the C-terminus of GLE1 that are predicted to disrupt protein-protein interaction or GLE1 protein targeting. We hypothesize that mutations that preserve function of the coiled-coil domain of GLE1 cause LAAHD whereas mutations that abolish the function of the coiled-coil domain cause LCCS1. The phenotype of LAAHD is now expanded to include multiple individuals surviving into childhood suggesting that LAAHD is a misnomer and should be re-named Arthrogryposis with Anterior Horn Cell Disease (AAHD). Too few cases have been reported to identify significant genotype-phenotype relationships, but given that perinatal lethality in AAHD typically resulted from respiratory failure, it is possible that early or aggressive airway management such as early tracheostomy and ventilation may enable survival beyond the perinatal period.

ABSTRACT BACKGROUND Despite widespread availability of clinical genetic testing, many individuals with suspected genetic conditions do not have a precise diagnosis. This limits their opportunity to take advantage of state-of-the-art treatments. In such instances, testing sometimes reveals difficult-to-evaluate complex structural differences, candidate variants that do not fully explain the phenotype, single pathogenic variants in recessive disorders, or no variants in specific genes of interest. Thus, there is a need for better tools to identify a precise genetic diagnosis in individuals when conventional testing approaches have been exhausted. METHODS Targeted long-read sequencing (T-LRS) was performed on 33 individuals using Read Until on the Oxford Nanopore platform. This method allowed us to computationally target up to 100 Mbp of sequence per experiment, resulting in an average of 20x coverage of target regions, a 500% increase over background. We analyzed patient DNA for pathogenic substitutions, structural variants, and methylation differences using a single data source. RESULTS The effectiveness of T-LRS was validated by detecting all genomic aberrations, including single-nucleotide variants, copy number changes, repeat expansions, and methylation differences, previously identified by prior clinical testing. In 6/7 individuals who had complex structural rearrangements, T-LRS enabled more precise resolution of the mutation, which led, in one case, to a change in clinical management. In nine individuals with suspected Mendelian conditions who lacked a precise genetic diagnosis, T-LRS identified pathogenic or likely pathogenic variants in five and variants of uncertain significance in two others. CONCLUSIONS T-LRS can accurately predict pathogenic copy number variants and triplet repeat expansions, resolve complex rearrangements, and identify single-nucleotide variants not detected by other technologies, including short-read sequencing. T-LRS represents an efficient and cost-effective strategy to evaluate high-priority candidate genes and regions or to further evaluate complex clinical testing results. The application of T-LRS will likely increase the diagnostic rate of rare disorders.