Abstract International travel played a significant role in the early global spread of SARS-CoV-2. Understanding transmission patterns from different regions of the world will further inform global dynamics of the pandemic. Using data from Dubai in the United Arab Emirates (UAE), a major international travel hub in the Middle East, we establish SARS-CoV-2 full genome sequences from the index and early COVID-19 patients in the UAE. The genome sequences are analysed in the context of virus introductions, chain of transmissions, and possible links to earlier strains from other regions of the world. Phylogenetic analysis showed multiple spatiotemporal introductions of SARS-CoV-2 into the UAE from Asia, Europe, and the Middle East during the early phase of the pandemic. We also provide evidence for early community-based transmission and catalogue new mutations in SARS-CoV-2 strains in the UAE. Our findings contribute to the understanding of the global transmission network of SARS-CoV-2.

Abstract Characterizing key molecular and cellular pathways involved in COVID-19 is essential for disease prognosis and management. We perform shotgun transcriptome sequencing of human RNA obtained from nasopharyngeal swabs of patients with COVID-19, and identify a molecular signature associated with disease severity. Specifically, we identify globally dysregulated immune related pathways, such as cytokine-cytokine receptor signaling, complement and coagulation cascades, JAK-STAT, and TGF-β signaling pathways in all, though to a higher extent in patients with severe symptoms. The excessive release of cytokines and chemokines such as CCL2, CCL22, CXCL9 and CXCL12 and certain interferons and interleukins related genes like IFIH1, IFI44, IFIT1 and IL10 were significantly higher in patients with severe clinical presentation compared to mild and moderate presentations. Moreover, early induction of the TGF-β signaling pathway might be the primary cause of pulmonary fibrosis in patients with severe disease. Differential gene expression analysis identified a small set of regulatory genes that might act as strong predictors of patient outcome. Our data suggest that rapid transcriptome analysis of nasopharyngeal swabs can be a powerful approach to quantify host molecular response and may provide valuable insights into COVID-19 pathophysiology.

Abstract Background With the gradual reopening of economies and resumption of social life, robust surveillance mechanisms should be implemented to control the ongoing COVID-19 pandemic. Unlike RT-qPCR, SARS- C oV-2 W hole G enome S equencing (cWGS) has the added advantage of identifying cryptic origins of the virus, and the extent of community-based transmissions versus new viral introductions, which can in turn influence public health policy decisions. However, practical and cost considerations of cWGS should be addressed before it can be widely implemented. Methods We performed shotgun transcriptome sequencing using RNA extracted from nasopharyngeal swabs of patients with COVID-19, and compared it to targeted SARS-CoV-2 full genome amplification and sequencing with respect to virus detection, scalability, and cost-effectiveness. To track virus origin, we used open-source multiple sequence alignment and phylogenetic tools to compare the assembled SARS-CoV-2 genomes to publicly available sequences. Results We show a significant improvement in whole genome sequencing data quality and viral detection using amplicon-based target enrichment of SARS-CoV-2. With enrichment, more than 99% of the sequencing reads mapped to the viral genome compared to an average of 0.63% without enrichment. Consequently, a dramatic increase in genome coverage was obtained using significantly less sequencing data, enabling higher scalability and significant cost reductions. We also demonstrate how SARS-CoV-2 genome sequences can be used to determine their possible origin through phylogenetic analysis including other viral strains. Conclusions SARS-CoV-2 whole genome sequencing is a practical, cost-effective, and powerful approach for population-based surveillance and control of viral transmission in the next phase of the COVID-19 pandemic.

Abstract Genetic variation in populations of Middle Eastern origin remains highly underrepresented in most comprehensive genomic databases. This underrepresentation hampers the functional annotation of the human genome and challenges accurate clinical variant interpretation. To highlight the importance of capturing genetic variation in the Middle East, we aggregated whole exome and genome sequencing data from 2116 individuals in the Middle East and established the Middle East Variation (MEV) database. Of the high-impact coding (missense and loss of function) variants in this database, 53% were absent from the most comprehensive Genome Aggregation Database (gnomAD), thus representing a unique Middle Eastern variation dataset which might directly impact clinical variant interpretation. We highlight 39 variants with minor allele frequency >1% in the MEV database that were previously reported as rare disease variants in ClinVar and the Human Gene Mutation Database (HGMD). Furthermore, the MEV database consisted of 281 putative homozygous loss of function (LoF) variants, or complete knockouts, of which 31.7% (89/281) were absent from gnomAD. This set represents either complete knockouts of 83 unique genes in reportedly healthy individuals, with implications regarding disease penetrance and expressivity, or might affect dispensable exons, thus refining the clinical annotation of those regions. Intriguingly, 24 of those genes have several clinically significant variants reported in ClinVar and/or HGMD. Our study shows that genetic variation in the Middle East improves functional annotation and clinical interpretation of the genome and emphasizes the need for expanding sequencing studies in the Middle East and other underrepresented populations.

Abstract Genetic variants in the GJB2 gene are the most frequent causes of congenital and childhood hearing loss worldwide. In addition to nonsyndromic hearing loss, GJB2 pathogenic variants are also correlated with syndromic phenotypes, showing high genetic and phenotypic heterogeneity. To comprehensively delineate the genetic and phenotypic landscape of GJB2 variants, we interpreted and manually curated all the 2043 possible single-nucleotide substitution (SNS) coding variants in this gene following the hearing loss-specific ACMG/AMP guidelines. As a result, 61 (3.0%), 188 (9.2%), 1487 (72.8%), 301 (14.7%) and 6 (0.3%) variants were classified as pathogenic, likely pathogenic, variant of uncertain significance, likely benign and benign, respectively. Interestingly, 54% (84/156) of pathogenic/likely pathogenic missense variants were not recorded in ClinVar. Further analysis showed that the second transmembrane domain (TM2) and the 3 10 helix are highly enriched for pathogenic missense variants. The N-terminal tail and the extracellular loop (E1) showed a high density of variants that are associated with syndromic or dominant nonsyndromic hearing loss. On the other hand, the intracellular loops (CL and CT) were extremely tolerant to variation. Based on this new information, we propose refinements of the guidelines for variant interpretation in GJB2 . In summary, our study interpreted all possible SNS variants in the coding region of the GJB2 gene, characterized novel clinically significant (N = 249) and benign or likely benign (N = 307) in this gene, and revealed significant genotype-phenotype correlations at this common hearing loss locus. The interpretation of GJB2 SNS variants in the coding region provides a prototype for genes with similarly high genetic and phenotypic heterogeneity.

Abstract Background Exome- or genome-based panels—also known as slices or virtual panels—are now a popular approach that involves comprehensive genomic sequencing while restricting analysis to subsets of genes based on patients’ phenotypes. This flexible strategy enables frequent gene updates based on novel disease associations as well as reflexing to analyzing other genes up to the whole exome or genome. With recent improvements addressing limitations associated with virtual panels, the advantages of this approach, relative to static custom-based panels, remain to be systematically characterized. Methods Here we perform slice testing on 1014 patients (50.5% females; average age 17 years) referred from multiple pediatric clinics within a single center in the Middle East (83% Arab population). Results Initial analysis uncovered molecular diagnoses for 235 patients for a diagnostic yield of 23% (235/1014). “On the fly” focused analysis in most negative cases (N = 779) identified clinically significant variants correlating with patients’ presentations in genes outside the originally ordered panel for another 35 patients (3.5% or 35/1024) increasing the overall diagnostic yield to 27%. The pathogenic variants underlying the additional cases (13% of all positive cases) were excluded from the original “panel” gene list, mainly as result of issues related to panel selection, novel gene–disease associations, phenotype spectrum broadening, or gene lists variability. The additional findings led to changes in clinical management in most patients (94%). Conclusions Our findings support slice testing as an efficient and flexible platform that facilitates updates to gene lists to achieve high clinical sensitivity and utility.