Summary Individuals with autism spectrum disorders (ASD) exhibit an increased burden of de novo variants in a broadening range of genes. We functionally tested the effects of ASD missense variants using Drosophila through ‘humanization’ rescue and overexpression-based strategies. We studied 79 ASD variants in 74 genes identified in the Simons Simplex Collection and found 38% of them caused functional alterations. Moreover, we identified GLRA2 as the cause of a spectrum of neurodevelopmental phenotypes beyond ASD in eight previously undiagnosed subjects. Functional characterization of variants in ASD candidate genes point to conserved neurobiological mechanisms and facilitates gene discovery for rare neurodevelopmental diseases.

Abstract Background Non-coding regulatory elements (NCREs), such as enhancers, play a crucial role in gene regulation and genetic aberrations in NCREs can lead to human disease, including brain disorders. The human brain is complex and can be affected by numerous disorders; many of these are caused by genetic changes, but a multitude remain currently unexplained. Understanding NCREs acting during brain development has the potential to shed light on previously unrecognised genetic causes of human brain disease. Despite immense community-wide efforts to understand the role of the non-coding genome and NCREs, annotating functional NCREs remains challenging. Results Here we performed an integrative computational analysis of virtually all currently available epigenome data sets related to human fetal brain. Our in-depth analysis unravels 39,709 differentially active enhancers (DAEs) that show dynamic epigenomic rearrangement during early stages of human brain development, indicating likely biological function. Many of these DAEs are linked to clinically relevant genes, and functional validation of selected DAEs in cell models and zebrafish confirms their role in gene regulation. Compared to enhancers without dynamic epigenomic rearrangement, these regions are subjected to higher sequence constraints in humans, have distinct sequence characteristics and are bound by a distinct transcription factor landscape. DAEs are enriched for GWAS loci for brain related traits and for genetic variation found in individuals with neurodevelopmental disorders, including autism. Conclusion Our compendium of high-confidence enhancers will assist in deciphering the mechanism behind developmental genetics of the human brain and will be relevant to uncover missing heritability in human genetic brain disorders.

Abstract ANK3 encodes ankyrin‐G, a protein involved in neuronal development and signaling. Alternative splicing gives rise to three ankyrin‐G isoforms comprising different domains with distinct expression patterns. Mono‐ or biallelic ANK3 variants are associated with non‐specific syndromic intellectual disability in 14 individuals (seven with monoallelic and seven with biallelic variants). In this study, we describe the clinical features of 13 additional individuals and review the data on a total of 27 individuals (16 individuals with monoallelic and 11 with biallelic ANK3 variants) and demonstrate that the phenotype for biallelic variants is more severe. The phenotypic features include language delay (92%), autism spectrum disorder (76%), intellectual disability (78%), hypotonia (65%), motor delay (68%), attention deficit disorder (ADD) or attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) (57%), sleep disturbances (50%), aggressivity/self‐injury (37.5%), and epilepsy (35%). A notable phenotypic difference was presence of ataxia in three individuals with biallelic variants, but in none of the individuals with monoallelic variants. While the majority of the monoallelic variants are predicted to result in a truncated protein, biallelic variants are almost exclusively missense. Moreover, mono‐ and biallelic variants appear to be localized differently across the three different ankyrin‐G isoforms, suggesting isoform‐specific pathological mechanisms.

Summary HIV-1 latency results from tightly regulated molecular processes that act at distinct steps of HIV-1 gene expression. To elucidate the molecular players that govern latency, we previously performed a dCas9-chromatin immunoprecipitation coupled with mass spectrometry (Catchet-MS) and identified the interactome of the latent HIV-1 LTR. Here we characterize the Catchet-MS-identified PCI domain-containing 2 (PCID2) protein, a component of the TREX2 complex, to play a dual role in promoting HIV-1 latency by enforcing both transcriptional repression and post-transcriptional blocks to HIV-1 gene expression. PCID2 bound the latent HIV-1 LTR and repressed transcription initiation during latency. Depletion of PCID2 remodelled the chromatin landscape at the HIV-1 promoter and resulted in transcriptional activation and reversal of latency. Immunoprecipitation coupled to Mass Spectrometry identified PCID2-interacting proteins to include members of the spliceosome, including negative viral RNA (vRNA) alternative splicing regulators, and PCID2 depletion resulted in over-splicing of intron-containing vRNA and misregulated expression of vRNA splice variants. We demonstrate that MCM3AP and DSS1, two other RNA-binding TREX2 complex subunits that comprise the dock of the complex also inhibit transcription initiation and viral RNA alternative splicing during latency and similarly to PCID2 function as prominent latency associated repressors of HIV-1 gene expression. Thus, PCID2 is a novel HIV-1 latency-promoting factor, which in context of the TREX2 sub-complex PCID2-DSS1-MCM3AP blocks transcription and dysregulates vRNA processing.

ABSTRACT Pathogenic variants in SETD1B have been associated with a syndromic neurodevelopmental disorder including intellectual disability, language delay and seizures. To date, clinical features have been described for eleven patients with (likely) pathogenic SETD1B sequence variants. We perform an in-depth clinical characterization of a cohort of 36 unpublished individuals with SETD1B sequence variants, describing their molecular and phenotypic spectrum. Selected variants were functionally tested using in vitro and genome-wide methylation assays. Our data present evidence for a loss-of-function mechanism of SETD1B variants, resulting in a core clinical phenotype of global developmental delay, language delay including regression, intellectual disability, autism and other behavioral issues, and variable epilepsy phenotypes. Developmental delay appeared to precede seizure onset, suggesting SETD1B dysfunction impacts physiological neurodevelopment even in the absence of epileptic activity. Interestingly, males are significantly overrepresented and more severely affected, and we speculate that sex-linked traits could affect susceptibility to penetrance and the clinical spectrum of SETD1B variants. Finally, despite the possibility of non-redundant contributions of SETD1B and its paralogue SETD1A to epigenetic control, the clinical phenotypes of the related disorders share many similarities, indicating that elucidating shared and divergent downstream targets of both genes will help to understand the mechanism leading to the neurobehavioral phenotypes. Insights from this extensive cohort will facilitate the counseling regarding the molecular and phenotypic landscape of newly diagnosed patients with the SETD1B -related syndrome.

Developmental and/or epileptic encephalopathies (DEEs) are a group of devastating genetic disorders, resulting in early onset, therapy resistant seizures and developmental delay. Here we report on 12 individuals from 10 families presenting with a severe form of intractable epilepsy, severe developmental delay, progressive microcephaly and visual disturbance. Whole exome sequencing identified a recurrent, homozygous variant (chr2:64083454A>G) in the essential UDP-glucose pyrophosphorylase (UGP2) gene in all probands. This rare variant results in a tolerable Met12Val missense change of the longer UGP2 protein isoform but causes a disruption of the start codon of the shorter isoform. We show that the absence of the shorter isoform leads to a reduction of functional UGP2 enzyme in brain cell types, leading to altered glycogen metabolism, upregulated unfolded protein response and premature neuronal differentiation, as modelled during pluripotent stem cell differentiation in vitro. In contrast, the complete lack of all UGP2 isoforms leads to differentiation defects in multiple lineages in human cells. Reduced expression of Ugp2a/Ugp2b in vivo in zebrafish mimics visual disturbance and mutant animals show a behavioral phenotype. Our study identifies a recurrent start codon mutation in UGP2 as a cause of a novel autosomal recessive DEE. Importantly, it also shows that isoform specific start-loss mutations causing expression loss of a tissue relevant isoform of an essential protein can cause a genetic disease, even when an organism-wide protein absence is incompatible with life. We provide additional examples where a similar disease mechanism applies.

Enhancers are genetic elements that regulate spatiotemporal gene expression. Enhancer function requires transcription factor (TF) binding and correlates with histone modifications. However, the extent to which TF binding and histone modifications can functionally define active enhancers remains unclear. Here we combine chromatin immunoprecipitation with a massively parallel reporter assay to identify functional enhancers in human embryonic stem cells (hESCs) genome-wide in a quantitative unbiased manner. While active enhancers associate with TFs, only a minority of regions marked by NANOG, OCT4, H3K27ac and H3K4me1 function as enhancers, with activity changing markedly with culture conditions. Our analysis also reveals a novel enhancer set associated with housekeeping genes. Moreover, while transposable elements associate with putative enhancers only some exhibit activity. Similarly, within super-enhancers, large tracts are non-functional, with activity restricted to small sub-domains. This catalogue of validated enhancers provides a valuable resource for further functional dissection of the regulatory genome.

Abstract Hirschsprung disease (HSCR) is caused by an absence of the enteric nervous system (ENS), which is crucial for intestinal function. The ENS is composed of enteric neurons and glia, and is mostly derived from migrating vagal neural crest cells. Trunk-derived Schwann cells also play a significant role in postnatal maintenance of the ENS. However, the diversity of the ENS in health and disease remains largely unknown. Here, we performed single cell RNA sequencing on pediatric controls and HSCR individuals, and identified two major classes of enteric glia, being canonical and Schwann-like enteric glia. We show that the latter are the main contributors of enteric glia heterogeneity after birth and importantly, that they are preserved in aganglionic segments of HSCR individuals. In a zebrafish model of HSCR, which also shows preservation of Schwann-like enteric glia, enteric neurogenesis could be stimulated, demonstrating a potential novel therapy for HSCR.