Abstract Accurate prediction of damaging missense variants is critically important for interpreting genome sequence. While many methods have been developed, their performance has been limited. Recent progress in machine learning and availability of large-scale population genomic sequencing data provide new opportunities to significantly improve computational predictions. Here we describe gMVP, a new method based on graph attention neural networks. Its main component is a graph with nodes capturing predictive features of amino acids and edges weighted by coevolution strength, which enables effective pooling of information from local protein context and functionally correlated distal positions. Evaluated by deep mutational scan data, gMVP outperforms published methods in identifying damaging variants in TP53, PTEN, BRCA1 , and MSH2 . Additionally, it achieves the best separation of de novo missense variants in neurodevelopmental disorder cases from the ones in controls. Finally, the model supports transfer learning to optimize gain- and loss-of-function predictions in sodium and calcium channels. In summary, we demonstrate that gMVP can improve interpretation of missense variants in clinical testing and genetic studies.

The diaphragm is a mammalian muscle critical for respiration and separation of the thoracic and abdominal cavities. Defects in the development of the diaphragm are the cause of congenital diaphragmatic hernia (CDH), a common birth defect. In CDH, weaknesses in the developing diaphragm allow abdominal contents to herniate into the thoracic cavity and impair lung development, leading to a high neonatal mortality. The genetic etiology of CDH is complex. Single nucleotide variants (SNVs), insertion/deletions (indels), and structural/copy number variants in more than 150 genes have been associated with CDH, although few genes are recurrently mutated in multiple patients and recurrently mutated genes can be incompletely penetrant. This suggests that multiple genetic variants in combination, other not yet investigated classes of variants, and/or nongenetic factors contribute to CDH susceptibility. However, to date no studies have comprehensively investigated the contribution of all possible classes of variants throughout the genome to the etiology of CDH. In our study, we used a unique cohort of four patients with isolated CDH with samples from blood, skin, and diaphragm connective tissue and parental blood samples and deep whole genome sequencing to assess germline and somatic de novo and inherited variants of various sizes (SNVs, indels, and structural variants) in exons, introns, UTRs, and intergenic regions. In each patient we found a different mutational landscape that included germline de novo, and inherited SNVs and indels in multiple genes. We also found in two patients an inherited 343 bp deletion interrupting an annotated enhancer of the CDH associated gene, GATA4, and we hypothesize that this common deletion (found in 1-2% of the population) acts as a sensitizing allele for CDH. Overall, our comprehensive reconstruction of the genetic architecture of four CDH individuals demonstrates that the etiology of CDH is heterogeneous and multifactorial.

Group 1 pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disease with high mortality despite recent therapeutic advances. Pathogenic remodeling of pulmonary arterioles leads to increased pulmonary pressures, right ventricular hypertrophy and heart failure. Mutations in bone morphogenetic protein receptor type 2 and other risk genes predispose to disease, but the vast majority of non-familial cases remain genetically undefined. To identify new risk genes, we performed exome sequencing in a large cohort from the National Biological Sample and Data Repository for PAH. By statistical association of rare deleterious variants, we found tissue kallikrein 1 and gamma glutamyl carboxylase as new candidate risk genes for idiopathic PAH associated with a later age-of-onset and relatively moderate disease phenotype compared to bone morphogenetic receptor type 2. Both genes play important roles in vascular hemodynamics and inflammation but have not been implicated in PAH previously. These data suggest new genes, pathogenic mechanisms and therapeutic targets for this lethal vasculopathy.

Summary The developmental basis of esophageal atresia and tracheoesophageal fistulas (EA/TEF), life-threatening congenital anomalies where the embryonic foregut fails to properly separate into trachea and esophagus, is poorly understood. Recent genome sequencing reveals that de novo variants in intracellular trafficking genes are enriched in EA/TEF patients, suggesting that these cellular processes regulate foregut morphogenesis. Here we show that mutation of orthologous genes in Xenopus disrupts trachea-esophageal separation like EA/TEF patients. We identify the underlying mechanism showing that the Rab11a recycling endosome pathway is required to localize Vangl-Celsr polarity complexes at the apical cell surface where opposite sides of the foregut tube fuses forming a transient epithelial bilayer. A partial loss of endosome trafficking or knockdown of the Vangl/Celsr complex disrupts cell polarity and planar cell division. Mutant cells accumulate in the disorganize septum, fail to downregulate cadherin, and do not separate into distinct trachea and esophagus. These data provide new insights into the mechanisms of congenital anomalies and general paradigms of tissue fusion during organogenesis.