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.

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disorder with a poor prognosis. Deleterious variation within components of the transforming growth factor-β pathway, particularly the bone morphogenetic protein type 2 receptor (BMPR2), underlies most heritable forms of PAH. To identify the missing heritability we perform whole-genome sequencing in 1038 PAH index cases and 6385 PAH-negative control subjects. Case-control analyses reveal significant overrepresentation of rare variants in ATP13A3, AQP1 and SOX17, and provide independent validation of a critical role for GDF2 in PAH. We demonstrate familial segregation of mutations in SOX17 and AQP1 with PAH. Mutations in GDF2, encoding a BMPR2 ligand, lead to reduced secretion from transfected cells. In addition, we identify pathogenic mutations in the majority of previously reported PAH genes, and provide evidence for further putative genes. Taken together these findings contribute new insights into the molecular basis of PAH and indicate unexplored pathways for therapeutic intervention.

Primary Immune disorders affect 15,000 new patients every year in Europe. Genetic tests are usually performed on a single or very limited number of genes leaving the majority of patients without a genetic diagnosis. We designed, optimised and validated a new clinical diagnostic platform called GRID, Genomics of Rare Immune Disorders, to screen in parallel 279 genes, including 2015 IUIS genes, known to be causative of Primary Immune disorders (PID). Validation to clinical standard using more than 58,000 variants in 176 PID patients shows an excellent sensitivity, specificity. The customised and automated bioinformatics pipeline prioritises and reports pertinent Single Nucleotide Variants (SNVs), INsertions and DELetions (INDELs) as well as Copy Number Variants (CNVs). An example of the clinical utility of the GRID panel, is represented by a patient initially diagnosed with X-linked agammaglobulinemia due to a missense variant in the BTK gene with severe inflammatory bowel disease. GRID results identified two additional compound heterozygous variants in IL17RC, potentially driving the altered phenotype.

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disorder with a poor prognosis. Deleterious variation within components of the transforming growth factor-β pathway, particularly the bone morphogenetic protein type 2 receptor (BMPR2), underlie most heritable forms of PAH. Since the missing heritability likely involves genetic variation confined to small numbers of cases, we performed whole genome sequencing in 1038 PAH index cases and 6385 PAH-negative control subjects. Case-control analyses revealed significant overrepresentation of rare variants in novel genes, namely ATP13A3, AQP1 and SOX17, and provided independent validation of a critical role for GDF2 in PAH. We provide evidence for familial segregation of mutations in SOX17 and AQP1 with PAH. Mutations in GDF2, encoding a BMPR2 ligand, led to reduced secretion from transfected cells. In addition, we identified pathogenic mutations in the majority of previously reported PAH genes, and provide evidence for further putative genes. Taken together these findings provide new insights into the molecular basis of PAH and indicate unexplored pathways for therapeutic intervention.

A targeted high-throughput sequencing (HTS) panel test for clinical diagnostics requires careful consideration of the inclusion of appropriate diagnostic-grade genes, the ability to detect multiple types of genomic variation with high levels of analytic sensitivity and reproducibility, and variant interpretation by a multi-disciplinary team (MDT) in the context of the clinical phenotype. We have sequenced 2,390 index patients using the ThromboGenomics HTS panel test of diagnostic-grade genes known to harbour variants associated with rare bleeding, thrombotic or platelet disorders (BPD). The diagnostic rate was determined by the clinical phenotype, with an overall rate of 50.4% for all thrombotic, coagulation, platelet count and function disorder patients and a rate of 6.2% for patients with unexplained bleeding disorders characterized by normal hemostasis test results. The MDT classified 756 unique variants, including copy number and intronic variants, as Pathogenic, Likely Pathogenic or Variants of Uncertain Significance. Almost half (49.7%) of these variants are novel and 41 unique variants were identified in 7 genes recently found to be implicated in BPD. Inspection of canonical hemostasis pathways identified 29 patients with evidence of oligogenic inheritance. A molecular diagnosis has been reported for 897 index patients providing evidence that introducing a HTS genetic test for BPD patients is meeting an important unmet clinical need.