Summary

Background

 Fetal structural anomalies, which are detected by ultrasonography, have a range of genetic causes, including chromosomal aneuploidy, copy number variations (CNVs; which are detectable by chromosomal microarrays), and pathogenic sequence variants in developmental genes. Testing for aneuploidy and CNVs is routine during the investigation of fetal structural anomalies, but there is little information on the clinical usefulness of genome-wide next-generation sequencing in the prenatal setting. We therefore aimed to evaluate the proportion of fetuses with structural abnormalities that had identifiable variants in genes associated with developmental disorders when assessed with whole-exome sequencing (WES). 

Methods

 In this prospective cohort study, two groups in Birmingham and London recruited patients from 34 fetal medicine units in England and Scotland. We used whole-exome sequencing (WES) to evaluate the presence of genetic variants in developmental disorder genes (diagnostic genetic variants) in a cohort of fetuses with structural anomalies and samples from their parents, after exclusion of aneuploidy and large CNVs. Women were eligible for inclusion if they were undergoing invasive testing for identified nuchal translucency or structural anomalies in their fetus, as detected by ultrasound after 11 weeks of gestation. The partners of these women also had to consent to participate. Sequencing results were interpreted with a targeted virtual gene panel for developmental disorders that comprised 1628 genes. Genetic results related to fetal structural anomaly phenotypes were then validated and reported postnatally. The primary endpoint, which was assessed in all fetuses, was the detection of diagnostic genetic variants considered to have caused the fetal developmental anomaly. 

Findings

 The cohort was recruited between Oct 22, 2014, and June 29, 2017, and clinical data were collected until March 31, 2018. After exclusion of fetuses with aneuploidy and CNVs, 610 fetuses with structural anomalies and 1202 matched parental samples (analysed as 596 fetus-parental trios, including two sets of twins, and 14 fetus-parent dyads) were analysed by WES. After bioinformatic filtering and prioritisation according to allele frequency and effect on protein and inheritance pattern, 321 genetic variants (representing 255 potential diagnoses) were selected as potentially pathogenic genetic variants (diagnostic genetic variants), and these variants were reviewed by a multidisciplinary clinical review panel. A diagnostic genetic variant was identified in 52 (8·5%; 95% CI 6·4–11·0) of 610 fetuses assessed and an additional 24 (3·9%) fetuses had a variant of uncertain significance that had potential clinical usefulness. Detection of diagnostic genetic variants enabled us to distinguish between syndromic and non-syndromic fetal anomalies (eg, congenital heart disease only vs a syndrome with congenital heart disease and learning disability). Diagnostic genetic variants were present in 22 (15·4%) of 143 fetuses with multisystem anomalies (ie, more than one fetal structural anomaly), nine (11·1%) of 81 fetuses with cardiac anomalies, and ten (15·4%) of 65 fetuses with skeletal anomalies; these phenotypes were most commonly associated with diagnostic variants. However, diagnostic genetic variants were least common in fetuses with isolated increased nuchal translucency (≥4·0 mm) in the first trimester (in three [3·2%] of 93 fetuses). 

Interpretation

 WES facilitates genetic diagnosis of fetal structural anomalies, which enables more accurate predictions of fetal prognosis and risk of recurrence in future pregnancies. However, the overall detection of diagnostic genetic variants in a prospectively ascertained cohort with a broad range of fetal structural anomalies is lower than that suggested by previous smaller-scale studies of fewer phenotypes. WES improved the identification of genetic disorders in fetuses with structural abnormalities; however, before clinical implementation, careful consideration should be given to case selection to maximise clinical usefulness. 

Funding

 UK Department of Health and Social Care and The Wellcome Trust.

De novo mutations in protein-coding genes are a well-established cause of developmental disorders1. However, genes known to be associated with developmental disorders account for only a minority of the observed excess of such de novo mutations1,2. Here, to identify previously undescribed genes associated with developmental disorders, we integrate healthcare and research exome-sequence data from 31,058 parent–offspring trios of individuals with developmental disorders, and develop a simulation-based statistical test to identify gene-specific enrichment of de novo mutations. We identified 285 genes that were significantly associated with developmental disorders, including 28 that had not previously been robustly associated with developmental disorders. Although we detected more genes associated with developmental disorders, much of the excess of de novo mutations in protein-coding genes remains unaccounted for. Modelling suggests that more than 1,000 genes associated with developmental disorders have not yet been described, many of which are likely to be less penetrant than the currently known genes. Research access to clinical diagnostic datasets will be critical for completing the map of genes associated with developmental disorders. By integrating healthcare and exome-sequencing data from parent–offspring trios of patients with developmental disorders, 28 genes that had not previously been associated with developmental disorders were identified.

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disorder with a poor prognosis. Deleterious variation within components of the transforming growth factor-β pathway, particularly the bone morphogenetic protein type 2 receptor (BMPR2), underlies most heritable forms of PAH. To identify the missing heritability we perform whole-genome sequencing in 1038 PAH index cases and 6385 PAH-negative control subjects. Case-control analyses reveal significant overrepresentation of rare variants in ATP13A3, AQP1 and SOX17, and provide independent validation of a critical role for GDF2 in PAH. We demonstrate familial segregation of mutations in SOX17 and AQP1 with PAH. Mutations in GDF2, encoding a BMPR2 ligand, lead to reduced secretion from transfected cells. In addition, we identify pathogenic mutations in the majority of previously reported PAH genes, and provide evidence for further putative genes. Taken together these findings contribute new insights into the molecular basis of PAH and indicate unexplored pathways for therapeutic intervention.

Background To date, approximately 25% of patients with pulmonary arterial hypertension (PAH) have been found to harbour rare mutations in disease-causing genes. Given the small number of patients affected by mutations in most PAH genes, the identification of the missing heritability in PAH is challenging. We hypothesised that integrating deep phenotyping data with whole-genome sequencing data will reveal additional disease variants that are extremely rare and/or have a unique phenotypic signature.Methods We analysed whole-genome sequencing data from 13,037 participants enrolled in the NIHR BioResource - Rare Diseases (NIHRBR-RD) study, of which 1148 were recruited to the PAH domain. To test for genetic associations between genes and selected phenotypes of pulmonary hypertension (PH), we used the Bayesian rare-variant association method BeviMed. We defined the groups for comparison by assigning labels (‘tags’) inferred from the current diagnostic classification of PAH, stratification by age at diagnosis and transfer coefficient of carbon monoxide (KCO).Results Protein truncating variants (PTV) in KDR were strongly associated with the lower KCO tertile (posterior probability (PP)=0.989) and the higher age tertile (PP=0.912) groups. On computed tomographic imaging of the lungs, a range of parenchymal abnormalities were observed in the patients harbouring PTV in KDR . KCO stratification also highlighted an association between Isocitrate Dehydrogenase (NAD(+)) 3 Non-Catalytic Subunit Gamma ( IDH3G ) and moderately reduced KCO in patients with pulmonary hypertension (PP=0.920). The US PAH Biobank was used to independently validate these findings and identified four additional PAH cases with PTV in KDR and two in IDH3G . We confirmed associations between previously established genes and PAH.Conclusions PTVs in KDR , the gene encoding vascular endothelial growth factor receptor 2 (VEGFR2), are significantly associated with two specific phenotypes of PAH, reduced KCO and later age of onset, highlighting a role for VEGF signalling in the pathogenesis of human PAH. We also report IDH3G as a new PAH risk gene. Moreover, we demonstrate that the use of deep clinical phenotyping data advances the identification of novel causative rare variants.

Abstract Mitochondrial DNA (mtDNA) has been suggested to drive immune system activation, but the induction of interferon signaling by mtDNA has not been demonstrated in a Mendelian mitochondrial disease. We initially ascertained two patients, one with a purely neurological phenotype, and one with features suggestive of systemic sclerosis in a syndromic context, and found them both to demonstrate enhanced interferon-stimulated gene (ISG) expression in blood. We determined each to harbor a previously described de novo dominant-negative heterozygous mutation in ATAD3A , encoding ATPase family AAA domain-containing protein 3A (ATAD3A). We identified five further patients with mutations in ATAD3A , and recorded up-regulated ISG expression and interferon alpha protein in four of them. Knockdown of ATAD3A in THP-1 cells resulted in increased interferon signaling, mediated by cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) and stimulator of interferon genes (STING). Enhanced interferon signaling was abrogated in THP-1 cells and patient fibroblasts depleted of mtDNA. Thus, mutations in the mitochondrial membrane protein ATAD3A define a novel type I interferonopathy. Summary Dominant-negative mutations in ATAD3A, a ubiquitously expressed mitochondrial protein, cause mitochondrial DNA-dependent up-regulation of type I interferon signaling in the context of neurological disease and autoimmunity, thereby defining a novel type I interferonopathy.

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.

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disorder with a poor prognosis. Deleterious variation within components of the transforming growth factor-β pathway, particularly the bone morphogenetic protein type 2 receptor (BMPR2), underlie most heritable forms of PAH. Since the missing heritability likely involves genetic variation confined to small numbers of cases, we performed whole genome sequencing in 1038 PAH index cases and 6385 PAH-negative control subjects. Case-control analyses revealed significant overrepresentation of rare variants in novel genes, namely ATP13A3, AQP1 and SOX17, and provided independent validation of a critical role for GDF2 in PAH. We provide evidence for familial segregation of mutations in SOX17 and AQP1 with PAH. Mutations in GDF2, encoding a BMPR2 ligand, led to reduced secretion from transfected cells. In addition, we identified pathogenic mutations in the majority of previously reported PAH genes, and provide evidence for further putative genes. Taken together these findings provide new insights into the molecular basis of PAH and indicate unexplored pathways for therapeutic intervention.