Neurodevelopmental disorders (NDDs) often result from rare genetic variation, but genomic testing yield for NDDs remains around 50%, suggesting some clinically relevant rare variants may be missed by standard analyses. Here we analyze "poison exons" (PEs) which, while often absent from standard gene annotations, are alternative exons whose inclusion results in a premature termination codon. Variants that alter PE inclusion can lead to loss-of-function and may be highly penetrant contributors to disease.We curated published RNA-seq data from developing mouse cortex to define 1,937 PE regions conserved between humans and mice and potentially relevant to NDDs. We then analyzed variants found by genome sequencing in multiple NDD cohorts.Across 2,999 probands, we found six clinically relevant variants in PE regions that were previously overlooked. Five of these variants are in genes that are part of the sodium voltage-gated channel alpha subunit family ( SCN1A, SCN2A , and SCN8A ), associated with epilepsies. One variant is in SNRPB , associated with Cerebrocostomandibular Syndrome. These variants have moderate to high computational impact assessments, are absent from population variant databases, and were observed in probands with features consistent with those reported for the associated gene.With only a minimal increase in variant analysis burden (most probands had zero or one candidate PE variants in a known NDD gene, with an average of 0.77 per proband), annotation of PEs can improve diagnostic yield for NDDs and likely other congenital conditions.

From a GeneMatcher-enabled international collaboration, we identified ten individuals with intellectual disability, speech delay, ataxia and facial dysmorphism and a mutation in EBF3, encoding a transcription factor required for neuronal differentiation. Structural assessments, transactivation assays, in situ fractionation, RNA-seq and ChIP-seq experiments collectively show that the mutations are deleterious and impair EBF3 transcriptional regulation. These findings demonstrate that EBF3-mediated dysregulation of gene expression has profound effects on neuronal development in humans.

Candidate enhancers can be identified on the basis of chromatin modifications, the binding of chromatin modifiers and transcription factors and cofactors, or chromatin accessibility. However, validating such candidates as bona fide enhancers requires functional characterization, typically achieved through reporter assays that test whether a sequence can drive expression of a transcriptional reporter via a minimal promoter. A longstanding concern is that reporter assays are mainly implemented on episomes, which are thought to lack physiological chromatin. However, the magnitude and determinants of differences in cis-regulation for regulatory sequences residing in episomes versus chromosomes remain almost completely unknown. To address this question in a systematic manner, we developed and applied a novel lentivirus-based massively parallel reporter assay (lentiMPRA) to directly compare the functional activities of 2,236 candidate liver enhancers in an episomal versus a chromosomally integrated context. We find that the activities of chromosomally integrated sequences are substantially different from the activities of the identical sequences assayed on episomes, and furthermore are correlated with different subsets of ENCODE annotations. The results of chromosomally-based reporter assays are also more reproducible and more strongly predictable by both ENCODE annotations and sequence-based models. With a linear model that combines chromatin annotations and sequence information, we achieve a Pearson’s R2 of 0.347 for predicting the results of chromosomally integrated reporter assays. This level of prediction is better than with either chromatin annotations or sequence information alone and also outperforms predictive models of episomal assays. Our results have broad implications for how cis-regulatory elements are identified, prioritized and functionally validated.

Cancers result from aberrations in cellular signaling systems, typically resulting from driver somatic genome alterations (SGAs) in individual tumors. Precision oncology requires understanding the cellular state and selecting medications that induce vulnerability in cancer cells under such conditions. To this end, we developed a computational framework consisting of two components: 1) A representation-learning component, which learns a representation of the cellular signaling systems when perturbed by SGAs, using a biologically-motivated and interpretable deep learning model. 2) A drug-response-prediction component, which predicts the response to drugs by leveraging the information of the cellular state of the cancer cells derived by the first component. Our cell-state-oriented framework significantly enhances the accuracy of genome-informed prediction of drug responses in comparison to models that directly use SGAs as inputs. Importantly, our framework enables the prediction of response to chemotherapy agents based on SGAs, thus expanding genome-informed precision oncology beyond molecularly targeted drugs.

Abstract Differential gene expression in response to perturbations is mediated at least in part by changes in binding of transcription factors (TFs) and other proteins at specific genomic regions. Association of these cis-regulatory elements (CREs) with their target genes is a challenging task that is essential to address many biological and mechanistic questions. Many current approaches rely on chromatin conformation capture techniques that identify spatial proximity between genomic sites to establish CRE-to-gene associations. These methods can be effective but have limitations, including resolution, minimal detectable interaction distance, and cost. As an alternative, we have developed DegCre, a non-parametric method that evaluates correlations between measurements of perturbation-induced differential gene expression and differential regulatory signal at CREs to score possible CRE-to-gene associations. It has several unique features, including the ability to: use any type of CRE activity measurement; yield probabilistic scores for CRE-to-gene pairs; and assess CRE-to-gene pairings across a wide range of sequence distances. We apply DegCre to three data sets, each employing different perturbations and containing a variety of regulatory signal measurements, including chromatin openness, histone modifications, and TF occupancy. To test their efficacy, we compare DegCre associations to HiC loop calls and to CRISPR validated interactions, with both yielding good agreement. We demonstrate the identification of perturbation direct target genes with DegCre confirm the results with previous reports. DegCre is a novel approach to the association of CREs to genes from a perturbation-differential perspective, with strengths that are complementary to existing approaches and allow for new insights into gene regulation.

PURPOSE: Clinically relevant secondary variants were identified in parents enrolled with a child with developmental delay and intellectual disability. METHODS: Exome/genome sequencing and analysis of 789 "unaffected" parents was performed. RESULTS: Pathogenic/likely pathogenic variants were identified in 21 genes within 25 individuals (3.2%), with 11 (1.4%) participants harboring variation in a gene defined as clinically actionable by the ACMG. Of the 25 individuals, five carried a variant consistent with a previous clinical diagnosis, thirteen were not previously diagnosed but had symptoms or family history with probable association with the detected variant, and seven reported no symptoms or family history of disease. A limited carrier screen was performed yielding 15 variants in 48 (6.1%) parents. Parents were also analyzed as mate-pairs to identify cases in which both parents were carriers for the same recessive disease; this led to one finding in ATP7B. Four participants had two findings (one carrier and one non-carrier variant). In total, 71 of the 789 enrolled parents (9.0%) received secondary findings. CONCLUSION: We provide an overview of the rates and types of clinically relevant secondary findings, which may be useful in the design, and implementation of research and clinical sequencing efforts to identify such findings.

Mutations that alter signaling of RAS/MAPK-family proteins give rise to a group of Mendelian diseases known as RASopathies, but the matrix of genotype-phenotype relationships is still incomplete, in part because there are many RAS-related proteins, and in part because the phenotypic consequences may be variable and/or pleiotropic. Here, we describe a cohort of ten cases, drawn from six clinical sites and over 16,000 sequenced probands, with de novo protein-altering variation in RALA, a RAS-like small GTPase. All probands present with speech and motor delays, and most have intellectual disability, low weight, short stature, and facial dysmorphism. The observed rate of de novo RALA variants in affected probands is significantly higher (p=4.93 x 10-11) than expected from the estimated mutation rate. Further, all de novo variants described here affect conserved residues within the GTP/GDP-binding region of RALA; in fact, six alleles arose at only two codons, Val25 and Lys128. We directly assayed GTP hydrolysis and RALA effector-protein binding, and all but one tested variant significantly reduced both activities. The one exception, S157A, reduced GTP hydrolysis but significantly increased RALA-effector binding, an observation similar to that seen for oncogenic RAS variants. These results show the power of data sharing for the interpretation and analysis of rare variation, expand the spectrum of molecular causes of developmental disability to include RALA, and provide additional insight into the pathogenesis of human disease caused by mutations in small GTPases.

We assessed the utility of genome sequencing for early-onset dementia. Participants were selected from a memory disorders clinic. Genome sequencing was performed along with C9orf72 repeat expansion testing. All returned sequencing results were Sanger validated clinically. Prior clinical diagnoses included Alzheimer's disease, frontotemporal dementia, and unspecified dementia. The mean age-of-onset was 54 (41-76). 50% of patients had a strong family history, 37.5% had some, and 12.5% had no known family history. Nine of 32 patients (28%) had a variant defined as pathogenic or likely pathogenic (P/LP) by American College of Medical Genetics standards, including variants in APP , C9orf72 , CSF1R , and MAPT . Nine patients (including three with P/LP variants) harbored established risk alleles with moderate penetrance (odds ratios of about 2-5) in ABCA7 , AKAP9 , GBA , PLD3 , SORL1 , and TREM2 . All six patients harboring these moderate penetrance variants but not P/LP variants also had one or two APOE ε4 alleles. One patient had two APOE ε4 alleles with no other established contributors. In total, 16 patients (50%) harbored one or more genetic variants likely to explain symptoms. We identified variants of uncertain significance (VUSs) in ABI3 , ADAM10 , ARSA , GRID2IP , MME , NOTCH3 , PLCD1 , PSEN1 , TM2D3 , TNK1 , TTC3 , and VPS13C , also often along with other variants. In summary, genome sequencing for early-onset dementia demonstrated high utility, with particular advantages where targeted testing may fail such as atypical variant-disease associations or presence of multiple moderate impact alleles. One or more established contributory alleles is often present in early-onset dementia, supporting an oligogenic model.

The ALF transcription factor paralogs, AFF1, AFF2, AFF3 and AFF4, are components of the transcriptional super elongation complex that regulates expression of genes involved in neurogenesis and development. We describe a new autosomal dominant disorder associated with de novo missense variants in the degron of AFF3, a nine amino acid sequence important for its degradation. Consistent with a causative role of AFF3 variants, the mutated AFF3 proteins show reduced clearance. Ten affected individuals were identified, and present with a recognizable pattern of anomalies, which we named KINSSHIP syndrome (KI for horseshoe KIdney, NS for Nievergelt/Savarirayan type of mesomelic dysplasia, S for Seizures, H for Hypertrichosis, I for Intellectual disability and P for Pulmonary involvement), partially overlapping the AFF4 associated CHOPS syndrome. An eleventh individual with a microdeletion encompassing only the transactivation domain and degron motif of AFF3 exhibited overlapping clinical features. A zebrafish overexpression model that shows body axis anomalies provides further support for the pathological effect of increased amount of AFF3 protein. Whereas homozygous Aff3 knockout mice display skeletal anomalies, kidney defects, brain malformation and neurological anomalies, knock-in animals modeling the microdeletion and the missense variants identified in affected individuals presented with lower mesomelic limb deformities and early lethality, respectively. Transcriptome analyses as well as the partial phenotypic overlap of syndromes associated with AFF3 and AFF4 variants suggest that ALF transcription factors are not redundant in contrast to what was previously suggested.