ABSTRACT Genomic Copy Number Variants (CNVs) are routinely identified and reported back to patients with neuropsychiatric disorders, but their quantitative effects on essential traits such as cognitive ability are poorly documented. We have recently shown that the effect-size of deletions on cognitive ability can be statistically predicted using measures of intolerance to haploinsufficiency. However, the effect-sizes of duplications remain unknown. It is also unknown if the effect of multigenic CNVs are driven by a few genes intolerant to haploinsufficiency or distributed across tolerant genes as well. Here, we identified all CNVs >50 kilobases in 24,092 individuals from unselected and autism cohorts with assessments of general intelligence. Statistical models used measures of intolerance to haploinsufficiency of genes included in CNVs to predict their effect-size on intelligence. Intolerant genes decrease general intelligence by 0.8 and 2.6 points of IQ when duplicated or deleted, respectively. Effect-sizes showed no heterogeneity across cohorts. Validation analyses demonstrated that models could predict CNV effect-sizes with 78% accuracy. Data on the inheritance of 27,766 CNVs showed that deletions and duplications with the same effect-size on intelligence occur de novo at the same frequency. We estimated that around 10,000 intolerant and tolerant genes negatively affect intelligence when deleted, and less than 2% have large effect-sizes. Genes encompassed in CNVs were not enriched in any GOterms but gene regulation and brain expression were GOterms overrepresented in the intolerant subgroup. Such pervasive effects on cognition may be related to emergent properties of the genome not restricted to a limited number of biological pathways.

16p11.2 and 22q11.2 Copy Number Variants (CNVs) confer high risk for Autism Spectrum Disorder (ASD), schizophrenia (SZ), and Attention-Deficit-Hyperactivity-Disorder (ADHD), but their impact on functional connectivity (FC) networks remains unclear. We analyzed resting-state functional magnetic resonance imaging data from 101 CNV carriers, 755 individuals with idiopathic ASD, SZ, or ADHD and 1,072 controls. We used CNV FC-signatures to identify major dimensions contributing to complex idiopathic conditions. CNVs had large mirror effects on FC at the global and regional level, and their effect-sizes were twice as large as those of idiopathic conditions. Thalamus, somatomotor, and posterior insula regions played a critical role in dysconnectivity shared across deletions, duplications, idiopathic ASD, SZ but not ADHD. Individuals with higher similarity to deletion FC-signatures exhibited worse behavioral and cognitive symptoms. These seemingly distinct neuropsychiatric mutations showed similar gene co-expression patterns and converged on FC dimensions, that may represent mechanistic building blocks shared across idiopathic conditions.

Abstract Copy number variations (CNVs) are rare genomic deletions and duplications that can exert profound effects on brain and behavior. Previous reports of pleiotropy in CNVs imply that they converge on shared mechanisms at some level of pathway cascades, from genes to large-scale neural circuits to the phenome. However, studies to date have primarily examined single CNV loci in small clinical cohorts. It remains unknown how distinct CNVs escalate the risk for the same developmental and psychiatric disorders. Here, we quantitatively dissect the impact on brain organization and behavioral differentiation across eight key CNVs. In 534 clinical CNV carriers from multiple sites, we explored CNV-specific brain morphology patterns. We extensively annotated these CNV-associated patterns with deep phenotyping assays through the UK Biobank resource. Although the eight CNVs cause disparate brain changes, they are tied to similar phenotypic profiles across ∼1000 lifestyle indicators. Our population-level investigation established brain structural divergences and phenotypical convergences of CNVs, with direct relevance to major brain disorders.

Objective: Deleterious copy number variants (CNVs) are identified in up to 20% of individuals with autism. However, only 13 genomic loci have been formally associated with autism because the majority of CNVs are too rare to perform individual association studies. To investigate the implication of undocumented CNVs in neurodevelopmental disorders, we recently developed a new framework to estimate their effect-size on intelligence quotient (IQ) and sought to extend this approach to autism susceptibility and multiple cognitive domains. Methods: We identified CNVs in two autism samples (Simons Simplex Collection and MSSNG) and two unselected populations (IMAGEN and Saguenay Youth Study). Statistical models integrating scores of genes encompassed in CNVs were used to explain their effect on autism susceptibility and multiple cognitive domains. Results: Among 9 scores of genes, the "probability-of-being loss-of-function intolerant" (pLI) best explains the effect of CNVs on IQ and autism risk. Deletions decrease IQ by a mean of 2.6 points per point of pLI. The effect of duplications on IQ is three-fold smaller. The odd ratios for autism increases when deleting or duplicating any point of pLI. This increased autism risk is similar in subgroups of individuals below or above median IQ. Once CNV effects on IQ are accounted for, autism susceptibility remains mostly unchanged for duplications but decreases for deletions. Model estimates for autism risk overlap with previously published observations. Deletions and duplications differentially affect social communication, behaviour, and phonological memory, whereas both equally affect motor skills. Conclusions: Autism risk conferred by duplications is less influenced by IQ compared to deletions. CNVs increase autism risk similarly in individuals with high and low IQ. Our model, trained on CNVs encompassing >4,500 genes, suggests highly polygenic properties of gene dosage with respect to autism risk. These models will help interpreting CNVs identified in the clinic.

Asymmetry between the left and right brain is a key feature of brain organization. Hemispheric functional specialization underlies some of the most advanced human-defining cognitive operations, such as articulated language, perspective taking, or rapid detection of facial cues. Yet, genetic investigations into brain asymmetry have mostly relied on common variant studies, which typically exert small effects on brain phenotypes. Here, we leverage rare genomic deletions and duplications to study how genetic alterations reverberate in human brain and behavior. We quantitatively dissected the impact of eight high-effect-size copy number variations (CNVs) on brain asymmetry in a multi-site cohort of 552 CNV carriers and 290 non-carriers. Isolated multivariate brain asymmetry patterns spotlighted regions typically thought to subserve lateralized functions, including language, hearing, as well as visual, face and word recognition. Planum temporale asymmetry emerged as especially susceptible to deletions and duplications of specific gene sets. Targeted analysis of common variants through genome-wide association study (GWAS) consolidated partly diverging genetic influences on the right versus left planum temporale structure. In conclusion, our gene-brain-behavior mapping highlights the consequences of genetically controlled brain lateralization on human-defining cognitive traits.

The number of genes associated with autism is increasing, but few studies have been performed on epidemiological cohorts and in isolated populations. Here, we investigated 357 individuals from the Faroe Islands including 36 individuals with autism, 136 of their relatives and 185 non-autism controls. Data from SNP array and whole exome sequencing revealed that individuals with autism compared to controls had a higher burden of copy-number variants (p < 0.05), higher inbreeding status (p < 0.005) and higher load of homozygous deleterious variants (p < 0.01). Our analysis supports the role of several genes/loci associated with autism (e.g. NRXN1, ADNP, 22q11 deletion) and identified new truncating (e.g. GRIK2, ROBO1, NINL and IMMP2L) or recessive deleterious variants (e.g. KIRELL3 and CNTNAP2) affecting autism-risk genes. It also revealed three genes involved in synaptic plasticity, RIMS4, KALRN and PLA2G4A, carrying de novo deleterious variants in individuals with autism without intellectual disability. In summary, our analysis provides a better understanding of the genetic architecture of autism in isolated populations by highlighting the role of both common and rare gene variants and pointing at new autism-risk genes. It also indicates that more knowledge about how multiple genetic hits affect neuronal function will be necessary to fully understand the genetic architecture of autism.

Human brain anatomy is strikingly diverse and highly inheritable: genetic factors may explain up to 80% of its variability. Prior studies have tried to detect genetic variants with a large effect on neuroanatomical diversity, but those currently identified account for <5% of the variance. Here we show, based on our analyses of neuroimaging and whole-genome genotyping data from 1,765 subjects, that up to 54% of this heritability is captured by large numbers of single nucleotide polymorphisms of small effect spread throughout the genome, especially within genes and close regulatory regions. The genetic bases of neuroanatomical diversity appear to be relatively independent of those of body size (height), but shared with those of verbal intelligence scores. The study of this genomic architecture should help us better understand brain evolution and disease.

Genomic Copy Number Variants (CNVs) that increase risk for neurodevelopmental disorders are also associated with lower cognitive ability in general population cohorts. Studies have focussed on a small set of recurrent CNVs, but burden analyses suggested that the vast majority of CNVs affecting cognitive ability are too rare to reach variant-level association. As a result, the full range of gene-dosage-sensitive biological processes linked to cognitive ability remains unknown. To investigate this issue, we identified all CNVs >50 kilobases in 258k individuals from 6 general population cohorts with assessments of general cognitive abilities. We performed a CNV-GWAS and functional burden analyses, which tested 6502 gene-sets defined by tissue and cell-type transcriptomics as well as gene ontology disrupted by all rare coding CNVs. CNV-GWAS identified a novel duplication at 2q12.3 associated with higher performance in cognitive ability. Among the 864 gene-sets associated with cognitive ability, only 11% showed significant effects for both deletions and duplication. Accordingly, we systematically observed negative correlations between deletion and duplication effect sizes across all levels of biological observations. We quantified the preferential effects of deletions versus duplication using tagDS, a new normalized metric. Cognitive ability was preferentially affected by cortical, presynaptic, and negative-regulation gene-sets when duplicated. In contrast, preferential effects of deletions were observed for subcortical, post-synaptic, and positive-regulation gene-sets. A large proportion of gene-sets assigned to non-brain organs were associated with cognitive ability due to low tissue specificity genes, which were associated with higher sensitive to haploinsufficiency. Overall, most biological functions associated with cognitive ability are divided into those sensitive to either deletion or duplications.

Developmental dyslexia (DD) is one of the most prevalent learning disorders among children and is characterized by deficits in different cognitive skills, including reading, spelling, short term memory and others. To help unravel the genetic basis of these skills, we conducted a Genome Wide Association Study (GWAS), including nine cohorts of reading-impaired and typically developing children of European ancestry, recruited across different countries (N=2,562-3,468). We observed a genome-wide significant effect (p<1x10-8) on rapid automatized naming of letters (RANlet) for variants on 18q12.2 within MIR924HG (micro-RNA 924 host gene; p = 4.73x10-9), and a suggestive association on 8q12.3 within NKAIN3 (encoding a cation transporter; p = 2.25x10-8). RAN represents one of the best universal predictors of reading fluency across orthographies and linkage to RAN has been previously reported within CELF4 (18q12.2), a gene highly expressed in the fetal brain which is co-expressed with NKAIN3 and predicted to be a target of MIR924. These findings suggest new candidate DD susceptibility genes and provide insights into the genetics and neurobiology of dyslexia.