Abstract Next-generation sequencing has led to a dramatic improvement in molecular diagnoses of serious pediatric disorders caused by apparently de novo mutations (DNMs); by contrast, clinicians’ ability to counsel the parents about the risk of recurrence in a future child has lagged behind. Owing to the possibility that one of the parents could be mosaic in their germline, a recurrence risk of 1-2% is frequently quoted, but for any specific couple, this figure is usually incorrect. We present a systematic approach to providing individualized recurrence risk stratification, by combining deep-sequencing of multiple tissues in the mother-father-child trio with haplotyping to determine the parental origin of the DNM. In the first 58 couples analysed (total of 59 DNMs in 49 different genes), the risk for 35 (59%) DNMs was decreased below 0.1% but for 6 (10%) couples it was increased owing to parental mosaicism - that could be quantified in semen (recurrence risks of 5.6-12.1%) for the paternal cases. Deep-sequencing of the DNM efficiently identifies couples at greatest risk for recurrence and may qualify them for additional reproductive technologies. Haplotyping can further reassure many other couples that their recurrence risk is very low, but its implementation is more technically challenging and will require better understanding of how couples respond to information that reduces their risks.

The identification of structural variants (SVs) in genomic data represents an ongoing challenge because of difficulties in reliable SV calling leading to reduced sensitivity and specificity. We prepared high-quality DNA from 9 parent–child trios, who had previously undergone short-read whole-genome sequencing (Illumina platform) as part of the Genomics England 100,000 Genomes Project. We reanalysed the genomes using both Bionano optical genome mapping (OGM; 8 probands and one trio) and Nanopore long-read sequencing (Oxford Nanopore Technologies [ONT] platform; all samples). To establish a “truth” dataset, we asked whether rare proband SV calls (n = 234) made by the Bionano Access (version 1.6.1)/Solve software (version 3.6.1_11162020) could be verified by individual visualisation using the Integrative Genomics Viewer with either or both of the Illumina and ONT raw sequence. Of these, 222 calls were verified, indicating that Bionano OGM calls have high precision (positive predictive value 95%). We then asked what proportion of the 222 true Bionano SVs had been identified by SV callers in the other two datasets. In the Illumina dataset, sensitivity varied according to variant type, being high for deletions (115/134; 86%) but poor for insertions (13/58; 22%). In the ONT dataset, sensitivity was generally poor using the original Sniffles variant caller (48% overall) but improved substantially with use of Sniffles2 (36/40; 90% and 17/23; 74% for deletions and insertions, respectively). In summary, we show that the precision of OGM is very high. In addition, when applying the Sniffles2 caller, the sensitivity of SV calling using ONT long-read sequence data outperforms Illumina sequencing for most SV types.

Early detection and intervention of hearing loss may mitigate negative effects on children's development. Children who were admitted to the neonatal intensive care unit (NICU) as babies are particularly susceptible to hearing loss and risk factors are vital for surveillance.

The precise regulation of DNA replication is vital for cellular division and genomic integrity. Central to this process is the replication factor C (RFC) complex, encompassing five subunits, which loads proliferating cell nuclear antigen onto DNA to facilitate the recruitment of replication and repair proteins and enhance DNA polymerase processivity. While RFC1's role in cerebellar ataxia, neuropathy, and vestibular areflexia syndrome (CANVAS) is known, the contributions of RFC2-5 subunits on human Mendelian disorders is largely unexplored. Our research links bi-allelic variants in RFC4, encoding a core RFC complex subunit, to an undiagnosed disorder characterized by incoordination and muscle weakness, hearing impairment, and decreased body weight. We discovered across nine affected individuals rare, conserved, predicted pathogenic variants in RFC4, all likely to disrupt the C-terminal domain indispensable for RFC complex formation. Analysis of a previously determined cryo-EM structure of RFC bound to proliferating cell nuclear antigen suggested that the variants disrupt interactions within RFC4 and/or destabilize the RFC complex. Cellular studies using RFC4-deficient HeLa cells and primary fibroblasts demonstrated decreased RFC4 protein, compromised stability of the other RFC complex subunits, and perturbed RFC complex formation. Additionally, functional studies of the RFC4 variants affirmed diminished RFC complex formation, and cell cycle studies suggested perturbation of DNA replication and cell cycle progression. Our integrated approach of combining in silico, structural, cellular, and functional analyses establishes compelling evidence that bi-allelic loss-of-function RFC4 variants contribute to the pathogenesis of this multisystemic disorder. These insights broaden our understanding of the RFC complex and its role in human health and disease.

CTNND1 encodes the p120-catenin (p120) protein, which has a wide range of functions, including the maintenance of cell-cell junctions, regulation of the epithelial-mesenchymal transition and transcriptional signaling. Due to advances in next generation sequencing, CTNND1 has been implicated in human diseases including cleft palate and blepharocheilodontic syndrome (BCD) albeit only recently. In this study, we identify eight novel protein-truncating variants, six de novo, in thirteen participants presenting with craniofacial dysmorphisms including cleft palate and hypodontia, as well as congenital cardiac anomalies, limb dysmorphologies and neurodevelopmental disorders. Using conditional deletions in mice as well as CRISPR/Cas9 approaches to target CTNND1 in Xenopus, we identified a subset of phenotypes that can be linked to p120-catenin in epithelial integrity and turnover, and additional phenotypes that suggest mesenchymal roles of CTNND1. We propose that CTNND1 variants have a wider developmental role than previously described, and that variations in this gene underlie not only cleft palate and BCD but may be expanded to a broader velocardiofacial-like syndrome.

Individuals with severe, undiagnosed developmental disorders (DDs) are enriched for damaging de novo mutations (DNMs) in developmentally important genes. We exome sequenced 4,293 families with individuals with DDs, and meta-analysed these data with published data on 3,287 individuals with similar disorders. We show that the most significant factors influencing the diagnostic yield of de novo mutations are the sex of the affected individual, the relatedness of their parents and the age of both father and mother. We identified 94 genes enriched for damaging de novo mutation at genome-wide significance (P < 7 x 10-7), including 14 genes for which compelling data for causation was previously lacking. We have characterised the phenotypic diversity among these genetic disorders. We demonstrate that, at current cost differentials, exome sequencing has much greater power than genome sequencing for novel gene discovery in genetically heterogeneous disorders. We estimate that 42% of our cohort carry pathogenic DNMs (single nucleotide variants and indels) in coding sequences, with approximately half operating by a loss-of-function mechanism, and the remainder resulting in altered-function (e.g. activating, dominant negative). We established that most haplo insufficient developmental disorders have already been identified, but that many altered-function disorders remain to be discovered. Extrapolating from the DDD cohort to the general population, we estimate that developmental disorders caused by DNMs have an average birth prevalence of 1 in 213 to 1 in 448 (0.22-0.47% of live births), depending on parental age.