Fundamental to most genetic analysis is availability of genomic DNA of adequate quality and quantity. Because DNA yield from human samples is frequently limiting, much effort has been invested in developing methods for whole genome amplification (WGA) by random or degenerate oligonucleotide-primed PCR. However, existing WGA methods like degenerate oligonucleotide-primed PCR suffer from incomplete coverage and inadequate average DNA size. We describe a method, termed multiple displacement amplification (MDA), which provides a highly uniform representation across the genome. Amplification bias among eight chromosomal loci was less than 3-fold in contrast to 4–6 orders of magnitude for PCR-based WGA methods. Average product length was >10 kb. MDA is an isothermal, strand-displacing amplification yielding about 20–30 μg product from as few as 1–10 copies of human genomic DNA. Amplification can be carried out directly from biological samples including crude whole blood and tissue culture cells. MDA-amplified human DNA is useful for several common methods of genetic analysis, including genotyping of single nucleotide polymorphisms, chromosome painting, Southern blotting and restriction fragment length polymorphism analysis, subcloning, and DNA sequencing. MDA-based WGA is a simple and reliable method that could have significant implications for genetic studies, forensics, diagnostics, and long-term sample storage.

Carrier testing for 448 severe childhood recessive diseases by next-generation sequencing has good predictive value and suggests that every individual carries about three disease mutations.

Monogenic diseases are frequent causes of neonatal morbidity and mortality, and disease presentations are often undifferentiated at birth. More than 3500 monogenic diseases have been characterized, but clinical testing is available for only some of them and many feature clinical and genetic heterogeneity. Hence, an immense unmet need exists for improved molecular diagnosis in infants. Because disease progression is extremely rapid, albeit heterogeneous, in newborns, molecular diagnoses must occur quickly to be relevant for clinical decision-making. We describe 50-hour differential diagnosis of genetic disorders by whole-genome sequencing (WGS) that features automated bioinformatic analysis and is intended to be a prototype for use in neonatal intensive care units. Retrospective 50-hour WGS identified known molecular diagnoses in two children. Prospective WGS disclosed potential molecular diagnosis of a severe GJB2-related skin disease in one neonate; BRAT1-related lethal neonatal rigidity and multifocal seizure syndrome in another infant; identified BCL9L as a novel, recessive visceral heterotaxy gene (HTX6) in a pedigree; and ruled out known candidate genes in one infant. Sequencing of parents or affected siblings expedited the identification of disease genes in prospective cases. Thus, rapid WGS can potentially broaden and foreshorten differential diagnosis, resulting in fewer empirical treatments and faster progression to genetic and prognostic counseling.

We describe an adaptation of the rolling circle amplification (RCA) reporter system for the detection of protein Ags, termed “immunoRCA.” In immunoRCA, an oligonucleotide primer is covalently attached to an Ab; thus, in the presence of circular DNA, DNA polymerase, and nucleotides, amplification results in a long DNA molecule containing hundreds of copies of the circular DNA sequence that remain attached to the Ab and that can be detected in a variety of ways. Using immunoRCA, analytes were detected at sensitivities exceeding those of conventional enzyme immunoassays in ELISA and microparticle formats. The signal amplification afforded by immunoRCA also enabled immunoassays to be carried out in microspot and microarray formats with exquisite sensitivity. When Ags are present at concentrations down to fM levels, specifically bound Abs can be scored by counting discrete fluorescent signals arising from individual Ag–Ab complexes. Multiplex immunoRCA also was demonstrated by accurately quantifying Ags mixed in different ratios in a two-color, single-molecule-counting assay on a glass slide. ImmunoRCA thus combines high sensitivity and a very wide dynamic range with an unprecedented capability for single molecule detection. This Ag-detection method is of general applicability and is extendable to multiplexed immunoassays that employ a battery of different Abs, each labeled with a unique oligonucleotide primer, that can be discriminated by a color-coded visualization system. ImmunoRCA-profiling based on the simultaneous quantitation of multiple Ags should expand the power of immunoassays by exploiting the increased information content of ratio-based expression analysis.

Fluorescent-sandwich immunoassays on microarrays hold appeal for proteomics studies, because equipment and antibodies are readily available, and assays are simple, scalable, and reproducible. The achievement of adequate sensitivity and specificity, however, requires a general method of immunoassay amplification. We describe coupling of isothermal rolling-circle amplification (RCA) to universal antibodies for this purpose. A total of 75 cytokines were measured simultaneously on glass arrays with signal amplification by RCA with high specificity, femtomolar sensitivity, 3 log quantitative range, and economy of sample consumption. A 51-feature RCA cytokine glass array was used to measure secretion from human dendritic cells (DCs) induced by lipopolysaccharide (LPS) or tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha). As expected, LPS induced rapid secretion of inflammatory cytokines such as macrophage inflammatory protein (MIP)-1beta, interleukin (IL)-8, and interferon-inducible protein (IP)-10. We found that eotaxin-2 and I-309 were induced by LPS; in addition, macrophage-derived chemokine (MDC), thymus and activation-regulated chemokine (TARC), soluble interleukin 6 receptor (sIL-6R), and soluble tumor necrosis factor receptor I (sTNF-RI) were induced by TNF-alpha treatment. Because microarrays can accommodate approximately 1,000 sandwich immunoassays of this type, a relatively small number of RCA microarrays seem to offer a tractable approach for proteomic surveys.

VESICULAR transport to and from the lysosome and late endosome is defective in patients with Chediak–Higashi syndrome (CHS) and in mutant beige (bg) mice1–4. CHS and bg cells have giant, perinuclear vesicles with characterises of late endosomes and lysosomes that arise from dysregulated homotypic fusion3–5. CHS and bg lysosomes also exhibit compartmental missorting of proteins, such as elastase, glucuronidase and cathepsin G2,3,6,7. Lyst, a candidate gene for bg, was identified by direct complementary DNA selection from a yeast artificial chromosome (YAC) clone containing a 650-kilobase segment of the bg-critical region on mouse chromosome 13. Lyst is disrupted by a 5-kilobase deletion in bg11J mice, and Lyst messenger RNA is markedly reduced in bg2J homozygotes. The homologous human gene, LYST, is highly conserved with mouse Lyst, and contains a frame-shift mutation at nucleotides 117–118 of the coding domain in a CHS patient. Thus bg mice and human CHS patients have homologous disorders associated with Lyst mutations. Lyst encodes a protein with a carboxy-terminal prenylation motif and multiple potential phosphorylation sites. Lyst protein is predicted to form extended helical domains, and has a region of sequence similar to stathmin, a coiled-coil phosphoprotein thought to act as a relay integrating cellular signal response coupling8–10.

Neurodevelopmental disorders (NDDs) affect more than 3% of children and are attributable to single-gene mutations at more than 1000 loci. Traditional methods yield molecular diagnoses in less than one-half of children with NDD. Whole-genome sequencing (WGS) and whole-exome sequencing (WES) can enable diagnosis of NDD, but their clinical and cost-effectiveness are unknown. One hundred families with 119 children affected by NDD received diagnostic WGS and/or WES of parent-child trios, wherein the sequencing approach was guided by acuity of illness. Forty-five percent received molecular diagnoses. An accelerated sequencing modality, rapid WGS, yielded diagnoses in 73% of families with acutely ill children (11 of 15). Forty percent of families with children with nonacute NDD, followed in ambulatory care clinics (34 of 85), received diagnoses: 33 by WES and 1 by staged WES then WGS. The cost of prior negative tests in the nonacute patients was $19,100 per family, suggesting sequencing to be cost-effective at up to $7640 per family. A change in clinical care or impression of the pathophysiology was reported in 49% of newly diagnosed families. If WES or WGS had been performed at symptom onset, genomic diagnoses may have been made 77 months earlier than occurred in this study. It is suggested that initial diagnostic evaluation of children with NDD should include trio WGS or WES, with extension of accelerated sequencing modalities to high-acuity patients.

Genetic diseases are leading causes of childhood mortality. Whole-genome sequencing (WGS) and whole-exome sequencing (WES) are relatively new methods for diagnosing genetic diseases, whereas chromosomal microarray (CMA) is well established. Here we compared the diagnostic utility (rate of causative, pathogenic, or likely pathogenic genotypes in known disease genes) and clinical utility (proportion in whom medical or surgical management was changed by diagnosis) of WGS, WES, and CMA in children with suspected genetic diseases by systematic review of the literature (January 2011-August 2017) and meta-analysis, following MOOSE/PRISMA guidelines. In 37 studies, comprising 20,068 children, diagnostic utility of WGS (0.41, 95% CI 0.34-0.48, I2 = 44%) and WES (0.36, 95% CI 0.33-0.40, I2 = 83%) were qualitatively greater than CMA (0.10, 95% CI 0.08-0.12, I2 = 81%). Among studies published in 2017, the diagnostic utility of WGS was significantly greater than CMA (P < 0.0001, I2 = 13% and I2 = 40%, respectively). Among studies featuring within-cohort comparisons, the diagnostic utility of WES was significantly greater than CMA (P < 0.001, I2 = 36%). The diagnostic utility of WGS and WES were not significantly different. In studies featuring within-cohort comparisons of WGS/WES, the likelihood of diagnosis was significantly greater for trios than singletons (odds ratio 2.04, 95% CI 1.62-2.56, I2 = 12%; P < 0.0001). Diagnostic utility of WGS/WES with hospital-based interpretation (0.42, 95% CI 0.38-0.45, I2 = 48%) was qualitatively higher than that of reference laboratories (0.29, 95% CI 0.27-0.31, I2 = 49%); this difference was significant among studies published in 2017 (P < .0001, I2 = 22% and I2 = 26%, respectively). The clinical utility of WGS (0.27, 95% CI 0.17-0.40, I2 = 54%) and WES (0.17, 95% CI 0.12-0.24, I2 = 76%) were higher than CMA (0.06, 95% CI 0.05-0.07, I2 = 42%); this difference was significant for WGS vs CMA (P < 0.0001). In conclusion, in children with suspected genetic diseases, the diagnostic and clinical utility of WGS/WES were greater than CMA. Subgroups with higher WGS/WES diagnostic utility were trios and those receiving hospital-based interpretation. WGS/WES should be considered a first-line genomic test for children with suspected genetic diseases.

Key Points Germline gain-of-function mutations in STAT3 lead to lymphoproliferation and autoimmunity with prominent cytopenias. Mutations in STAT3 cause altered regulatory T cells and cytokine signaling.