BackgroundHuman genome sequencing has transformed our understanding of genomic variation and its relevance to health and disease, and is now starting to enter clinical practice for the diagnosis of rare diseases. The question of whether and how some categories of genomic findings should be shared with individual research participants is currently a topic of international debate, and development of robust analytical workflows to identify and communicate clinically relevant variants is paramount.MethodsThe Deciphering Developmental Disorders (DDD) study has developed a UK-wide patient recruitment network involving over 180 clinicians across all 24 regional genetics services, and has performed genome-wide microarray and whole exome sequencing on children with undiagnosed developmental disorders and their parents. After data analysis, pertinent genomic variants were returned to individual research participants via their local clinical genetics team.FindingsAround 80 000 genomic variants were identified from exome sequencing and microarray analysis in each individual, of which on average 400 were rare and predicted to be protein altering. By focusing only on de novo and segregating variants in known developmental disorder genes, we achieved a diagnostic yield of 27% among 1133 previously investigated yet undiagnosed children with developmental disorders, whilst minimising incidental findings. In families with developmentally normal parents, whole exome sequencing of the child and both parents resulted in a 10-fold reduction in the number of potential causal variants that needed clinical evaluation compared to sequencing only the child. Most diagnostic variants identified in known genes were novel and not present in current databases of known disease variation.InterpretationImplementation of a robust translational genomics workflow is achievable within a large-scale rare disease research study to allow feedback of potentially diagnostic findings to clinicians and research participants. Systematic recording of relevant clinical data, curation of a gene–phenotype knowledge base, and development of clinical decision support software are needed in addition to automated exclusion of almost all variants, which is crucial for scalable prioritisation and review of possible diagnostic variants. However, the resource requirements of development and maintenance of a clinical reporting system within a research setting are substantial.FundingHealth Innovation Challenge Fund, a parallel funding partnership between the Wellcome Trust and the UK Department of Health.

Duplications and deletions in the human genome can cause disease or predispose persons to disease. Advances in technologies to detect these changes allow for the routine identification of submicroscopic imbalances in large numbers of patients.

The International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC) recently completed a sequence of the human genome. As part of this project, we have focused on chromosome 8. Although some chromosomes exhibit extreme characteristics in terms of length, gene content, repeat content and fraction segmentally duplicated, chromosome 8 is distinctly typical in character, being very close to the genome median in each of these aspects. This work describes a finished sequence and gene catalogue for the chromosome, which represents just over 5% of the euchromatic human genome. A unique feature of the chromosome is a vast region of approximately 15 megabases on distal 8p that appears to have a strikingly high mutation rate, which has accelerated in the hominids relative to other sequenced mammals. This fast-evolving region contains a number of genes related to innate immunity and the nervous system, including loci that appear to be under positive selection--these include the major defensin (DEF) gene cluster and MCPH1, a gene that may have contributed to the evolution of expanded brain size in the great apes. The data from chromosome 8 should allow a better understanding of both normal and disease biology and genome evolution.

Alveolar capillary dysplasia with misalignment of pulmonary veins (ACD/MPV) is a rare, neonatally lethal developmental disorder of the lung with defining histologic abnormalities typically associated with multiple congenital anomalies (MCA). Using array CGH analysis, we have identified six overlapping microdeletions encompassing the FOX transcription factor gene cluster in chromosome 16q24.1q24.2 in patients with ACD/MPV and MCA. Subsequently, we have identified four different heterozygous mutations (frameshift, nonsense, and no-stop) in the candidate FOXF1 gene in unrelated patients with sporadic ACD/MPV and MCA. Custom-designed, high-resolution microarray analysis of additional ACD/MPV samples revealed one microdeletion harboring FOXF1 and two distinct microdeletions upstream of FOXF1, implicating a position effect. DNA sequence analysis revealed that in six of nine deletions, both breakpoints occurred in the portions of Alu elements showing eight to 43 base pairs of perfect microhomology, suggesting replication error Microhomology-Mediated Break-Induced Replication (MMBIR)/Fork Stalling and Template Switching (FoSTeS) as a mechanism of their formation. In contrast to the association of point mutations in FOXF1 with bowel malrotation, microdeletions of FOXF1 were associated with hypoplastic left heart syndrome and gastrointestinal atresias, probably due to haploinsufficiency for the neighboring FOXC2 and FOXL1 genes. These differences reveal the phenotypic consequences of gene alterations in cis. Alveolar capillary dysplasia with misalignment of pulmonary veins (ACD/MPV) is a rare, neonatally lethal developmental disorder of the lung with defining histologic abnormalities typically associated with multiple congenital anomalies (MCA). Using array CGH analysis, we have identified six overlapping microdeletions encompassing the FOX transcription factor gene cluster in chromosome 16q24.1q24.2 in patients with ACD/MPV and MCA. Subsequently, we have identified four different heterozygous mutations (frameshift, nonsense, and no-stop) in the candidate FOXF1 gene in unrelated patients with sporadic ACD/MPV and MCA. Custom-designed, high-resolution microarray analysis of additional ACD/MPV samples revealed one microdeletion harboring FOXF1 and two distinct microdeletions upstream of FOXF1, implicating a position effect. DNA sequence analysis revealed that in six of nine deletions, both breakpoints occurred in the portions of Alu elements showing eight to 43 base pairs of perfect microhomology, suggesting replication error Microhomology-Mediated Break-Induced Replication (MMBIR)/Fork Stalling and Template Switching (FoSTeS) as a mechanism of their formation. In contrast to the association of point mutations in FOXF1 with bowel malrotation, microdeletions of FOXF1 were associated with hypoplastic left heart syndrome and gastrointestinal atresias, probably due to haploinsufficiency for the neighboring FOXC2 and FOXL1 genes. These differences reveal the phenotypic consequences of gene alterations in cis.

When embarking on a microarray-based study of genomic copy number variation, what's helpful for navigating the myriad of available array platforms and data analysis approaches? Pinto et al. evaluate six samples from healthy controls in triplicate on commonly used combinations of commercial arrays and analytic tools, providing realistic comparisons of performance. We have systematically compared copy number variant (CNV) detection on eleven microarrays to evaluate data quality and CNV calling, reproducibility, concordance across array platforms and laboratory sites, breakpoint accuracy and analysis tool variability. Different analytic tools applied to the same raw data typically yield CNV calls with <50% concordance. Moreover, reproducibility in replicate experiments is <70% for most platforms. Nevertheless, these findings should not preclude detection of large CNVs for clinical diagnostic purposes because large CNVs with poor reproducibility are found primarily in complex genomic regions and would typically be removed by standard clinical data curation. The striking differences between CNV calls from different platforms and analytic tools highlight the importance of careful assessment of experimental design in discovery and association studies and of strict data curation and filtering in diagnostics. The CNV resource presented here allows independent data evaluation and provides a means to benchmark new algorithms.

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.