MicroRNAs (miRNAs) are known to post-transcriptionally regulate target mRNAs through the 3′-UTR, which interacts mainly with the 5′-end of miRNA in animals. Here we identify many endogenous motifs within human 5′-UTRs specific to the 3′-ends of miRNAs. The 3′-end of conserved miRNAs in particular has significant interaction sites in the human-enriched, less conserved 5′-UTR miRNA motifs, while human-specific miRNAs have significant interaction sites only in the conserved 5′-UTR motifs, implying both miRNA and 5′-UTR are actively evolving in response to each other. Additionally, many miRNAs with their 3′-end interaction sites in the 5′-UTRs turn out to simultaneously contain 5′-end interaction sites in the 3′-UTRs. Based on these findings we demonstrate combinatory interactions between a single miRNA and both end regions of an mRNA using model systems. We further show that genes exhibiting large-scale protein changes due to miRNA overexpression or deletion contain both UTR interaction sites predicted. We provide the predicted targets of this new miRNA target class, miBridge, as an efficient way to screen potential targets, especially for nonconserved miRNAs, since the target search space is reduced by an order of magnitude compared with the 3′-UTR alone. Efficacy is confirmed by showing SEC24D regulation with hsa-miR-605, a miRNA identified only in primate, opening the door to the study of nonconserved miRNAs. Finally, miRNAs (and associated proteins) involved in this new targeting class may prevent 40S ribosome scanning through the 5′-UTR and keep it from reaching the start-codon, preventing 60S association.

Identifying large expansions of short tandem repeats (STRs), such as those that cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and fragile X syndrome, is challenging for short-read whole-genome sequencing (WGS) data. A solution to this problem is an important step toward integrating WGS into precision medicine. We developed a software tool called ExpansionHunter that, using PCR-free WGS short-read data, can genotype repeats at the locus of interest, even if the expanded repeat is larger than the read length. We applied our algorithm to WGS data from 3001 ALS patients who have been tested for the presence of the C9orf72 repeat expansion with repeat-primed PCR (RP-PCR). Compared against this truth data, ExpansionHunter correctly classified all (212/212, 95% CI [0.98, 1.00]) of the expanded samples as either expansions (208) or potential expansions (4). Additionally, 99.9% (2786/2789, 95% CI [0.997, 1.00]) of the wild-type samples were correctly classified as wild type by this method with the remaining three samples identified as possible expansions. We further applied our algorithm to a set of 152 samples in which every sample had one of eight different pathogenic repeat expansions, including those associated with fragile X syndrome, Friedreich's ataxia, and Huntington's disease, and correctly flagged all but one of the known repeat expansions. Thus, ExpansionHunter can be used to accurately detect known pathogenic repeat expansions and provides researchers with a tool that can be used to identify new pathogenic repeat expansions.

The discovery of small noncoding RNAs (sncRNAs) with regulatory functions is a recent breakthrough in biology. Among sncRNAs, microRNA (miRNA), derived from host or virus, has emerged as elements with high importance in control of viral replication and host responses. However, the expression pattern and functional aspects of other types of sncRNAs, following viral infection, are unexplored. In order to define expression patterns of sncRNAs, as well as to discover novel regulatory sncRNAs in response to viral infection, we applied deep sequencing to cells infected with human respiratory syncytial virus (RSV), the most common cause of bronchiolitis and pneumonia in babies. RSV infection leads to abundant production of transfer RNA (tRNA)-derived RNA Fragments (tRFs) that are ~30 nucleotides (nts) long and correspond to the 5′-half of mature tRNAs. At least one tRF, which is derived from tRNA-Glu-CTC, represses target mRNA in the cytoplasm and promotes RSV replication. This demonstrates that this tRF is not a random by-product of tRNA degradation but a functional molecule. The biogenesis of this tRF is also specific, as it is mediated by the endonuclease angiogenin (ANG), not by other nucleases. In summary, our study presents novel information on the induction of a functional tRF by viral infection. The discovery of small noncoding RNAs (sncRNAs) with regulatory functions is a recent breakthrough in biology. Among sncRNAs, microRNA (miRNA), derived from host or virus, has emerged as elements with high importance in control of viral replication and host responses. However, the expression pattern and functional aspects of other types of sncRNAs, following viral infection, are unexplored. In order to define expression patterns of sncRNAs, as well as to discover novel regulatory sncRNAs in response to viral infection, we applied deep sequencing to cells infected with human respiratory syncytial virus (RSV), the most common cause of bronchiolitis and pneumonia in babies. RSV infection leads to abundant production of transfer RNA (tRNA)-derived RNA Fragments (tRFs) that are ~30 nucleotides (nts) long and correspond to the 5′-half of mature tRNAs. At least one tRF, which is derived from tRNA-Glu-CTC, represses target mRNA in the cytoplasm and promotes RSV replication. This demonstrates that this tRF is not a random by-product of tRNA degradation but a functional molecule. The biogenesis of this tRF is also specific, as it is mediated by the endonuclease angiogenin (ANG), not by other nucleases. In summary, our study presents novel information on the induction of a functional tRF by viral infection.

There is mounting evidence of the value of clinical genome sequencing (cGS) in individuals with suspected rare genetic disease (RGD), but cGS performance and impact on clinical care in a diverse population drawn from both high-income countries (HICs) and low- and middle-income countries (LMICs) has not been investigated. The iHope program, a philanthropic cGS initiative, established a network of 24 clinical sites in eight countries through which it provided cGS to individuals with signs or symptoms of an RGD and constrained access to molecular testing. A total of 1,004 individuals (median age, 6.5 years; 53.5% male) with diverse ancestral backgrounds (51.8% non-majority European) were assessed from June 2016 to September 2021. The diagnostic yield of cGS was 41.4% (416/1,004), with individuals from LMIC sites 1.7 times more likely to receive a positive test result compared to HIC sites (LMIC 56.5% [195/345] vs. HIC 33.5% [221/659], OR 2.6, 95% CI 1.9–3.4, p < 0.0001). A change in diagnostic evaluation occurred in 76.9% (514/668) of individuals. Change of management, inclusive of specialty referrals, imaging and testing, therapeutic interventions, and palliative care, was reported in 41.4% (285/694) of individuals, which increased to 69.2% (480/694) when genetic counseling and avoidance of additional testing were also included. Individuals from LMIC sites were as likely as their HIC counterparts to experience a change in diagnostic evaluation (OR 6.1, 95% CI 1.1–∞, p = 0.05) and change of management (OR 0.9, 95% CI 0.5–1.3, p = 0.49). Increased access to genomic testing may support diagnostic equity and the reduction of global health care disparities.

Identifying large repeat expansions such as those that cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and Fragile X syndrome is challenging for short-read (100-150 bp) whole genome sequencing (WGS) data. A solution to this problem is an important step towards integrating WGS into precision medicine. We have developed a software tool called ExpansionHunter that, using PCR-free WGS short-read data, can genotype repeats at the locus of interest, even if the expanded repeat is larger than the read length. We applied our algorithm to WGS data from 3,001 ALS patients who have been tested for the presence of the C9orf72 repeat expansion with repeat-primed PCR (RP-PCR). Taking the RP-PCR calls as the ground truth, our WGS-based method identified pathogenic repeat expansions with 98.1% sensitivity and 99.7% specificity. Further inspection identified that all 11 conflicts were resolved as errors in the original RP-PCR results. Compared against this updated result, ExpansionHunter correctly classified all (212/212) of the expanded samples as either expansions (208) or potential expansions (4). Additionally, 99.9% (2,786/2,789) of the wild type samples were correctly classified as wild type by this method with the remaining two identified as possible expansions. We further applied our algorithm to a set of 144 samples where every sample had one of eight different pathogenic repeat expansions including examples associated with fragile X syndrome, Friedreich's ataxia and Huntington's disease and correctly flagged all of the known repeat expansions. Finally, we tested the accuracy of our method for short repeats by comparing our genotypes with results from 860 samples sized using fragment length analysis and determined that our calls were >95% accurate. ExpansionHunter can be used to accurately detect known pathogenic repeat expansions and provides researchers with a tool that can be used to identify new pathogenic repeat expansions.

Purpose: Current diagnostic testing for genetic disorders involves serial use of specialized assays spanning multiple technologies. In principle, whole genome sequencing (WGS) has the potential to detect all genomic mutation types on a single platform and workflow. Here we sought to evaluate copy number variant (CNV) calling as part of a clinically accredited WGS test. Methods: Using a depth-based copy number caller we performed analytical validation of CNV calling on a reference panel of 17 samples, compared the sensitivity of WGS-based variants to those from a clinical microarray, and set a bound on precision using orthogonal technologies. We developed a protocol for family-based analysis, annotation, filtering, visualization of WGS based CNV calls, and deployed this across a clinical cohort of 79 rare and undiagnosed cases. Results: We found that CNV calls from WGS are at least as sensitive as those from microarrays, while only creating a modest increase in the number of variants interpreted (~10 CNVs per case). We identified clinically significant CNVs in 15% of the first 79 cases analyzed. This pipeline also enabled identification of cases of uniparental disomy (UPD) and a 50% mosaic trisomy 14. Directed analysis of some CNVs enabled break-point level resolution of genomic rearrangements and phasing of de-novo CNVs. Conclusion: Robust identification of CNVs by WGS is possible within a clinical testing environment, and further developments will bring improvements in resolution of smaller and more complex CNVs.