ABSTRACT Background Repeat expansion (RE) disorders affect ~1 in 3000 individuals and are clinically heterogeneous diseases caused by expansions of short tandem DNA repeats. Genetic testing is often locus-specific, resulting in under diagnosis of atypical clinical presentations, especially in paediatric patients without a prior positive family history. Whole genome sequencing (WGS) is emerging as a first-line test for rare genetic disorders, but until recently REs were thought to be undetectable by this approach. Methods WGS pipelines for RE disorder detection were deployed by the 100,000 Genomes Project and Illumina Clinical Services Laboratory. Performance was retrospectively assessed across the 13 most common neurological RE loci using 793 samples with prior orthogonal testing (182 with expanded alleles and 611 with alleles within normal size) and prospectively interrogated in 13,331 patients with suspected genetic neurological disorders. Findings WGS RE detection showed minimum 97·3% sensitivity and 99·6% specificity across all 13 disease-associated loci. Applying the pipeline to patients from the 100,000 Genomes Project identified pathogenic repeat expansions which were confirmed in 69 patients, including seven paediatric patients with no reported family history of RE disorders, with a 0.09% false positive rate. Interpretation We show here for the first time that WGS enables the detection of causative repeat expansions with high sensitivity and specificity, and that it can be used to resolve previously undiagnosed neurological disorders. This includes children with no prior suspicion of a RE disorder. These findings are leading to diagnostic implementation of this analytical pipeline in the NHS Genomic Medicine Centres in England. Funding Medical Research Council, Department of Health and Social Care, National Health Service England, National Institute for Health Research, Illumina Inc

Primary mitochondrial diseases (PMDs) are among the most common inherited neurological disorders. They are caused by pathogenic variants in mitochondrial or nuclear DNA that disrupt mitochondrial structure and/or function, leading to impaired oxidative phosphorylation (OXPHOS). One emerging subcategory of PMDs involves defective phospholipid (PL) metabolism. Cardiolipin (CL), the signature PL of mitochondria, resides primarily in the inner mitochondrial membrane, where it is biosynthesised and remodelled via multiple enzymes and is fundamental to several aspects of mitochondrial biology. Genes that contribute to CL biosynthesis have recently been linked with PMD. However, the pathophysiological mechanisms that underpin human CL-related PMDs are not fully characterised. Here, we report six individuals, from three independent families, harbouring biallelic variants in PTPMT1, a mitochondrial tyrosine phosphatase required for de novo CL biosynthesis. All patients presented with a complex, neonatal/infantile onset neurological and neurodevelopmental syndrome comprising developmental delay, microcephaly, facial dysmorphism, epilepsy, spasticity, cerebellar ataxia and nystagmus, sensorineural hearing loss, optic atrophy, and bulbar dysfunction. Brain MRI revealed a variable combination of corpus callosum thinning, cerebellar atrophy, and white matter changes. Using patient-derived fibroblasts and skeletal muscle tissue, combined with cellular rescue experiments, we characterise the molecular defects associated with mutant PTPMT1 and confirm the downstream pathogenic effects that loss of PTPMT1 has on mitochondrial structure and function. To further characterise the functional role of PTPMT1 in CL homeostasis, we established a zebrafish ptpmt1 knockout model associated with abnormalities in body size, developmental alterations, decreased total CL levels, and OXPHOS deficiency. Together, these data indicate that loss of PTPMT1 function is associated with a new autosomal recessive PMD caused by impaired CL metabolism, highlight the contribution of aberrant CL metabolism towards human disease, and emphasise the importance of normal CL homeostasis during neurodevelopment.