Abstract Each human genome includes de novo mutations that arose during gametogenesis. While these germline mutations represent a fundamental source of new genetic diversity, they can also create deleterious alleles that impact fitness. The germline mutation rate for single nucleotide variants and factors that significantly influence this rate, such as parental age, are now well established. However, far less is known about the frequency, distribution, and features that impact de novo structural mutations. We report a large, family-based study of germline mutations, excluding aneuploidy, that affect genome structure among 572 genomes from 33 families in a multigenerational CEPH-Utah cohort and 2,363 cases of non-familial autism spectrum disorder (ASD), 1,938 unaffected siblings, and both parents (9,599 genomes in total). We find that de novo structural mutations detected by alignment-based, short-read WGS occurred at an overall rate of at least 0.160 events per genome in unaffected individuals and was significantly higher (0.206 per genome) in ASD cases. In both probands and unaffected samples, nearly 73% of de novo structural mutations arose in paternal gametes, and predict most de novo structural mutations to be caused by mutational mechanisms that do not require sequence homology. After multiple testing correction we did not observe a statistically significant correlation between parental age and the rate of de novo structural variation in offspring. These results highlight that a spectrum of mutational mechanisms contribute to germline structural mutations, and that these mechanisms likely have markedly different rates and selective pressures than those leading to point mutations.

ABSTRACT Post-transcriptional modifications by RNA editing are essential for neurodevelopment, yet their developmental and regulatory features remain poorly resolved. We constructed a full temporal view of base-specific RNA editing in the developing human cortex, from early progenitors through fully mature cells found in the adult brain. Developmental regulation of RNA editing is characterized by an increase in editing rates for more than 10,000 selective editing sites, shifting between mid-fetal development and infancy, and a massive expansion of RNA hyper-editing sites that amass in the cortex through postnatal development into advanced age. These sites occur disproportionally in 3’UTRs of essential neurodevelopmental genes. These profiles are preserved in non-human primate and murine models, illustrating evolutionary conserved regulation of RNA editing in mammalian cortical development. RNA editing levels are commonly genetically regulated (editing quantitative trait loci, edQTLs) consistently across development or predominantly during prenatal or postnatal periods. Both consistent and temporal-predominant edQTLs co-localize with risk loci associated with neurological traits and disorders, including attention deficit hyperactivity disorder, schizophrenia, and sleep disorders. These findings expand the repertoire of highly regulated RNA editing sites in the brain and provide insights of how epitranscriptional sequence diversity by RNA editing contributes to neurodevelopment.

Abstract Many autism spectrum disorder (ASD)-associated genes act as transcriptional regulators (TRs). ChIP-seq was used to identify the regulatory targets of ARID1B, BCL11A, FOXP1, TBR1, and TCF7L2, ASD-associated TRs in the developing human and mouse cortex. These TRs shared substantial overlap in the binding sites, especially within open chromatin. The overlap within a promoter region, 1-2,000bp upstream of transcription start site, was highly predictive of brain expressed genes. This signature was observed at 96 out of 102 ASD-associated genes. In vitro CRISPRi against ARID1B and TBR1 delineated downstream convergent biology in mouse cortical cultures. After eight days, NeuN+ and CALB+ cells were decreased, GFAP+ cells were increased, and transcriptomic signatures correlated with the postmortem brain samples from individuals with ASD. We suggest functional convergence across five ASD-associated TRs leads to shared neurodevelopmental outcomes of haploinsufficient disruption.

Abstract Objective Genetic variants in the voltage-gated sodium channels SCN1A, SCN2A, SCN3A, and SCN8A are leading causes of epilepsy, developmental delay, and autism spectrum disorder. The mRNA splicing patterns of all four genes vary across development in the rodent brain, including mutually exclusive copies of the fifth protein-coding exon detected in the neonate (5N) and adult (5A). A second pair of mutually exclusive exons is reported in SCN8A only (18N and 18A). We aimed to quantify the expression of individual exons in the developing human neocortex. Methods RNA-seq data from 176 human dorsolateral prefrontal cortex samples across development were analyzed to estimate exon-level expression. Developmental changes in exon utilization were validated by assessing intron splicing. Exon expression was also estimated in RNA-seq data from 58 developing mouse neocortical samples. Results In the mature human neocortex, exon 5A is consistently expressed at least 4-fold higher than exon 5N in all four genes. For SCN2A, SCN3A, and SCN8A a synchronized 5N/5A transition occurs between 24 post-conceptual weeks (2 nd trimester) and six years of age. In mice, the equivalent 5N/5A transition begins at or before embryonic day 15.5. In SCN8A, over 90% of transcripts in the mature human cortex include exon 18A. Early in fetal development, most transcripts include 18N or skip both 18N and 18A, with a transition to 18A inclusion occurring from 13 post-conceptual weeks to 6 months of age. No other protein-coding exons showed comparably dynamic developmental trajectories. Significance Splice isoforms, which alter the biophysical properties of the encoded channels, may account for some of the observed phenotypic differences across development and between specific variants. Manipulation of the proportion of splicing isoforms at appropriate stages of development may act as a therapeutic strategy for specific mutations or even epilepsy in general.

Genetic studies of Autism Spectrum Disorder (ASD) have established that de novo duplications and deletions contribute to risk. However, ascertainment of structural variation (SV) has been restricted by the coarse resolution of current approaches. By applying a custom pipeline for SV discovery, genotyping and de novo assembly to genome sequencing of 235 subjects, 71 cases, 26 sibling controls and their parents, we present an atlas of 1.2 million SVs (5,213/genome), comprising 11 different classes. We demonstrate a high diversity of de novo mutations, a majority of which were undetectable by previous methods. In addition, we observe complex mutation clusters where combinations of de novo SVs, nucleotide substitutions and indels occurred as a single event. We estimate a high rate of structural mutation in humans (20%). Genetic risk for ASD is attributable to an elevated frequency of gene-disrupting de novo SVs but not an elevated rate of genome rearrangement.

Almost all genetic risk factors for autism spectrum disorders (ASDs) can be found in the general population, but the effects of that risk are unclear in people not ascertained for neuropsychiatric symptoms. Using several large ASD consortia and population based resources, we find genetic links between ASDs and typical variation in social behavior and adaptive functioning. This finding is evidenced through both inherited and de novo variation, indicating that multiple types of genetic risk for ASDs influence a continuum of behavioral and developmental traits, the severe tail of which can result in an ASD or other neuropsychiatric disorder diagnosis. A continuum model should inform the design and interpretation of studies of neuropsychiatric disease biology.

Genomic studies to date in autism spectrum disorder (ASD) have largely focused on newly arising mutations that disrupt protein coding sequence and strongly influence risk. We evaluate the contribution of noncoding regulatory variation across the size and frequency spectrum through whole genome sequencing of 519 ASD cases, their unaffected sibling controls, and parents. Cases carry a small excess of de novo (1.02-fold) noncoding variants, which is not significant after correcting for paternal age. Assessing 51,801 regulatory classes, no category is significantly associated with ASD after correction for multiple testing. The strongest signals are observed in coding regions, including structural variation not detected by previous technologies and missense variation. While rare noncoding variation likely contributes to risk in neurodevelopmental disorders, no category of variation has impact equivalent to loss-of-function mutations. Average effect sizes are likely to be smaller than that for coding variation, requiring substantially larger samples to quantify this risk.

Variation in gene expression underlies neurotypical development, while genomic variants contribute to neuropsychiatric disorders. BrainVar is a unique resource of paired whole-genome sequencing and bulk-tissue RNA-sequencing from the human dorsolateral prefrontal cortex of 176 neurotypical individuals across prenatal and postnatal development, providing the opportunity to assay genomic and transcriptomic variation in tandem. Leveraging this resource, we identified rare premature stop codons with commensurate reduced and allele-specific expression of corresponding genes, and common variants that alter gene expression (expression quantitative trait loci, eQTLs). Categorizing eQTLs by prenatal and postnatal effect, genes affected by temporally-specific eQTLs, compared to constitutive eQTLs, are enriched for haploinsufficiency, protein-protein interactions, and neuropsychiatric disorder risk loci. Expression levels of over 12,000 genes rise or fall in a concerted late-fetal transition, with the transitional genes enriched for cell type specific genes and neuropsychiatric disorder loci, underscoring the importance of cataloguing developmental trajectories in understanding cortical physiology and pathology.

Recent research has uncovered an important role for de novo variation in neurodevelopmental disorders. Using aggregated data from 9246 families with autism spectrum disorder, intellectual disability, or developmental delay, we show ~1/3 of de novo variants are independently observed as standing variation in the Exome Aggregation Consortium's cohort of 60,706 adults, and these de novo variants do not contribute to neurodevelopmental risk. We further use a loss-of-function (LoF)-intolerance metric, pLI, to identify a subset of LoF-intolerant genes that contain the observed signal of associated de novo protein truncating variants (PTVs) in neurodevelopmental disorders. LoF-intolerant genes also carry a modest excess of inherited PTVs; though the strongest de novo impacted genes contribute little to this, suggesting the excess of inherited risk resides lower-penetrant genes. These findings illustrate the importance of population-based reference cohorts for the interpretation of candidate pathogenic variants, even for analyses of complex diseases and de novo variation.

Autism spectrum disorder (ASD) risk is influenced by both common polygenic and de novo variation. The purpose of this analysis was to clarify the influence of common polygenic risk for ASDs and to identify subgroups of cases, including those with strong acting de novo variants, in which different types of polygenic risk are relevant. To do so, we extend the transmission disequilibrium approach to encompass polygenic risk scores, and introduce with polygenic transmission disequilibrium test. Using data from more than 6,400 children with ASDs and 15,000 of their family members, we show that polygenic risk for ASDs, schizophrenia, and educational attainment is over transmitted to children with ASDs in two independent samples, but not to their unaffected siblings. These findings hold independent of proband IQ. We find that common polygenic variation contributes additively to ASD risk in cases that carry a very strong acting de novo variant. Lastly, we find evidence that elements of polygenic risk are independent and differ in their relationship with proband phenotype. These results confirm that ASDs' genetic influences are highly additive and suggest that they create risk through at least partially distinct etiologic pathways.