Most patients with rare diseases do not receive a molecular diagnosis and the aetiological variants and causative genes for more than half such disorders remain to be discovered1. Here we used whole-genome sequencing (WGS) in a national health system to streamline diagnosis and to discover unknown aetiological variants in the coding and non-coding regions of the genome. We generated WGS data for 13,037 participants, of whom 9,802 had a rare disease, and provided a genetic diagnosis to 1,138 of the 7,065 extensively phenotyped participants. We identified 95 Mendelian associations between genes and rare diseases, of which 11 have been discovered since 2015 and at least 79 are confirmed to be aetiological. By generating WGS data of UK Biobank participants2, we found that rare alleles can explain the presence of some individuals in the tails of a quantitative trait for red blood cells. Finally, we identified four novel non-coding variants that cause disease through the disruption of transcription of ARPC1B, GATA1, LRBA and MPL. Our study demonstrates a synergy by using WGS for diagnosis and aetiological discovery in routine healthcare. Whole-genome sequencing and phenotype data sharing are introduced in a national health system to streamline diagnosis and to discover coding and non-coding variants that cause rare diseases.

Gilean McVean and colleagues report the results of a large-scale clinical genome sequencing project spanning a broad spectrum of disorders. They identify factors influencing successful genetic diagnosis and highlight the challenges of interpreting findings for genetically heterogeneous disorders. To assess factors influencing the success of whole-genome sequencing for mainstream clinical diagnosis, we sequenced 217 individuals from 156 independent cases or families across a broad spectrum of disorders in whom previous screening had identified no pathogenic variants. We quantified the number of candidate variants identified using different strategies for variant calling, filtering, annotation and prioritization. We found that jointly calling variants across samples, filtering against both local and external databases, deploying multiple annotation tools and using familial transmission above biological plausibility contributed to accuracy. Overall, we identified disease-causing variants in 21% of cases, with the proportion increasing to 34% (23/68) for mendelian disorders and 57% (8/14) in family trios. We also discovered 32 potentially clinically actionable variants in 18 genes unrelated to the referral disorder, although only 4 were ultimately considered reportable. Our results demonstrate the value of genome sequencing for routine clinical diagnosis but also highlight many outstanding challenges.

Douglas Higgs and colleagues functionally test the α-globin super-enhancer in mice by genetically deleting its constituent enhancers. They find that the individual regulatory elements seem to act independently and in an additive way with respect to hematological phenotype, gene expression, and chromatin structure and conformation. Many genes determining cell identity are regulated by clusters of Mediator-bound enhancer elements collectively referred to as super-enhancers. These super-enhancers have been proposed to manifest higher-order properties important in development and disease. Here we report a comprehensive functional dissection of one of the strongest putative super-enhancers in erythroid cells. By generating a series of mouse models, deleting each of the five regulatory elements of the α-globin super-enhancer individually and in informative combinations, we demonstrate that each constituent enhancer seems to act independently and in an additive fashion with respect to hematological phenotype, gene expression, chromatin structure and chromosome conformation, without clear evidence of synergistic or higher-order effects. Our study highlights the importance of functional genetic analyses for the identification of new concepts in transcriptional regulation.

Abstract Transcriptional enhancers regulate gene expression in a developmental-stage and cell-specific manner. They were originally defined as individual regulatory elements that activate expression regardless of distance and orientation to their cognate genes. Genome-wide studies have shown that the mammalian enhancer landscape is much more complex, with different classes of individual enhancers and clusters of enhancer-like elements combining in additive, synergistic and redundant manners, possibly acting as single, integrated regulatory elements. These so-called super-enhancers are largely defined as clusters of enhancer-like elements which recruit particularly high levels of Mediator and often drive high levels of expression of key lineage-specific genes. Here, we analysed 78 erythroid-specific super-enhancers and showed that, as units, they preferentially interact in a directional manner, to drive expression of their cognate genes. Using the well characterised α-globin super-enhancer, we show that inverting this entire structure severely downregulates α-globin expression and activates flanking genes 5’ of the super-enhancer. Our detailed genetic dissection of the α-globin locus clearly attributes the cluster’s functional directionality to its sequence orientation, demonstrating that, unlike regular enhancers, super-enhancers act in an orientation-dependent manner. Together, these findings identify a novel emergent property of super-enhancers and revise current models by which enhancers are thought to contact and activate their cognate genes.

Background: Sporadic deletions removing 100s-1000s kb of DNA, and variable numbers of poorly characterised genes, are often found in patients with a wide range of developmental abnormalities. In such cases, understanding the contribution of the deletion to clinical phenotype is challenging. Methods: Here, as an example of this common phenomenon, we analysed 31 patients with simple sporadic deletions of ~177 to ~2000 kb affecting one allele of the well characterised, gene dense, telomeric region of chromosome 16 (16p13.3), referred to as ATR-16 syndrome. We characterised precise deletion extent and screened for genetic background effects, telomere position effect and compensatory up regulation of hemizygous genes. Results: We find the risk of developmental and neurological abnormalities arises from much smaller terminal chromosome 16 deletions (~400 kb) than previously reported. Beyond this, the severity of ATR-16 syndrome increases with deletion size, but there is no evidence that critical regions determine the developmental abnormalities associated with this disorder. Surprisingly, we find no evidence of telomere position effect or compensatory upregulation of hemizygous genes, however, genetic background effects substantially modify phenotypic abnormalities. Conclusions: Using ATR-16 as a general model of disorders caused by sporadic copy number variations, we show the degree to which individuals with contiguous gene syndromes are affected is not simply related to the number of genes deleted but also depends on their genetic background. We also show there is no critical region defining the degree of phenotypic abnormalities in ATR-16 syndrome and this has important implications for genetic counselling.

A variety of self-interacting domains, defined at different levels of resolution, have been described in mammalian genomes. These include Chromatin Compartments (A and B), Topologically Associated Domains (TADs), contact domains, sub-TADs, insulated neighbourhoods and frequently interacting regions (FIREs). Whereas many studies have found the organisation of self-interacting domains to be conserved across cell types, some do form in a lineage-specific manner. However, it is not clear to what degree such tissue-specific structures result from processes related to gene activity such as enhancer-promoter interactions or whether they form earlier during lineage commitment and are therefore likely to be prerequisite for promoting gene expression. To examine these models of genome organisation in detail, we used a combination of high-resolution chromosome conformation capture, a newly-developed form of quantitative fluorescence in-situ hybridisation and super-resolution imaging to study a 70 kb self-interacting domain containing the mouse α-globin locus. To understand how this self-interacting domain is established, we studied the region when the genes are inactive and during erythroid differentiation when the genes are progressively switched on. In contrast to many current models of long-range gene regulation, we show that an erythroid-specific, decompacted self-interacting domain, delimited by convergent CTCF/cohesin binding sites, forms prior to the onset of robust gene expression. Using previously established mouse models we show that formation of the self-interacting domain does not rely on interactions between the α-globin genes and their enhancers. As there are also no tissue-specific changes in CTCF binding, then formation of the domain may simply depend on the presence of activated lineage-specific cis-elements driving a transcription-independent mechanism for opening chromatin throughout the 70 kb region to create a permissive environment for gene expression. These findings are consistent with a model of loop-extrusion in which all segments of chromatin, within a region delimited by CTCF boundary elements, can contact each other. Our findings suggest that activation of tissue-specific element(s) within such a self-interacting region is sufficient to influence all chromatin within the domain.

Abstract ATRX is a chromatin remodelling ATPase that is involved in transcriptional regulation, DNA damage repair and heterochromatin maintenance. It has been widely studied for its role in ALT-positive cancers, but its role in neurological function remains elusive. Hypomorphic mutations in the X-linked ATRX gene cause a rare form of intellectual disability combined with alpha-thalassemia called ATR-X syndrome in hemizygous males. Patients also have facial dysmorphism, microcephaly, musculoskeletal defects and genital abnormalities. Since complete deletion of ATRX in mice results in early embryonic lethality, the field has largely relied on conditional knockout models to assess the role of ATRX in multiple tissues. Given that null alleles are not found in patients, a more patient-relevant model was needed. Here, we have produced and characterised the first patient mutation knock-in model of ATR-X syndrome, carrying the most common patient mutation, R246C. This is one of a cluster of missense mutations located in the chromatin interaction domain that disrupts its function. The knock-in mice recapitulate several aspects of the patient disorder, including craniofacial defects, microcephaly and impaired neurological function. They provide a powerful model for understanding the molecular mechanisms underlying ATR-X syndrome and for testing potential therapeutic strategies.

Abstract Determining the mechanisms by which genes are switched on and off during development and differentiation is a key aim of current biomedical research. Gene transcription has been widely observed to occur in a discontinuous fashion, with short bursts of activity interspersed with longer periods of inactivity. It is currently not known if or how this dynamic behaviour changes as mammalian cells differentiate. To investigate this, using a newly developed on-microscope analysis, we monitored mouse α-globin transcription in live cells throughout sequential stages of erythropoiesis. We find that changes in the overall levels of α -globin transcription are most closely associated with changes in the fraction of time a gene spends in the active transcriptional state. We identify differences in the patterns of transcriptional bursting throughout differentiation, with maximal transcriptional activity occurring in the mid-phase of differentiation. Early in differentiation, we observe increased fluctuation in the patterns of transcriptional activity whereas at the peak of gene expression, in early and intermediate erythroblasts, transcription appears to be relatively stable and efficient. Later during differentiation as α -globin expression declines, we again observed more variability in transcription within individual cells. We propose that the observed changes in transcriptional behaviour may reflect changes in the stability of enhancer-promoter interactions and the formation of active transcriptional compartments as gene expression is turned on and subsequently declines at sequential stages of differentiation.

Abstract Mouse embryonic stem cells (mESCs) can be manipulated in vitro to recapitulate the process of erythropoiesis, during which multipotent cells undergo lineage specification, differentiation and maturation to produce erythroid cells. Although useful for identifying specific progenitors and precursors, this system has not been fully exploited as a source of cells to analyse erythropoiesis. Here, we establish a protocol in which characterised erythroblasts can be isolated in a scalable manner from differentiated embryoid bodies (EBs). Using transcriptional and epigenetic analysis, we demonstrate that this system faithfully recapitulates normal primitive erythropoiesis and fully reproduces the effects of natural and engineered mutations seen in primary cells obtained from mouse models. We anticipate this system to be of great value in reducing the time and costs of generating and maintaining mouse lines in a number of research scenarios. Key Points Scalable purification of primitive-like erythroid cells from in vitro differentiated mESCs offers tractable tools for genetic studies In vitro derived erythroid cells recapitulate wild type and engineered mutation phenotypes observed in primary cells obtained from mouse models

We employ and extensively characterise an ex vivo culture system to study terminal erythroid maturation of CD34+ progenitors from the peripheral blood of normal individuals and patients with Congenital Dyserythropoietic Anaemia type 1 (CDA-I). Using morphological analysis, FACS analysis and the proteomic approach CyTOF, we analysed patient-derived erythroblasts stage- matched with those from healthy donors during the expansion phase and into early differentiation. In patient cells, aspects of disordered erythropoiesis manifest midway through differentiation, including increased proliferation and changes in the DNA accessibility profile. We also show that cultured erythroblasts from CDA-I patients recapitulate the pathognomic feature of this erythroid disorder with up to 40% of the cells having abnormal spongy chromatin morphology by electron microscopy, as well as upregulation of GDF15, a marker of ineffective erythropoiesis. In the tertiary phase of culture, patient cells show significantly less enucleation and there is persistence of earlier erythroid precursors. Furthermore, the enucleation defect appears to be more severe in patients with mutations in C15orf41, as compared to the other known causative gene CDAN1, indicating a genotype/phenotype correlation in CDA-I. Such erythroblasts are a valuable resource for investigating the pathogenesis of this disease and provide the opportunity for streamlining diagnosis for CDA-I patients and ultimately other forms of unexplained anaemia.