Focal cortical dysplasia (FCD), hemimegalencephaly, and megalencephaly constitute a spectrum of malformations of cortical development with shared neuropathologic features. These disorders are associated with significant childhood morbidity and mortality.To identify the underlying molecular cause of FCD, hemimegalencephaly, and diffuse megalencephaly.Patients with FCD, hemimegalencephaly, or megalencephaly (mean age, 11.7 years; range, 2-32 years) were recruited from Pediatric Hospital A. Meyer, the University of Hong Kong, and Seattle Children's Research Institute from June 2012 to June 2014. Whole-exome sequencing (WES) was performed on 8 children with FCD or hemimegalencephaly using standard-depth (50-60X) sequencing in peripheral samples (blood, saliva, or skin) from the affected child and their parents and deep (150-180X) sequencing in affected brain tissue. Targeted sequencing and WES were used to screen 93 children with molecularly unexplained diffuse or focal brain overgrowth. Histopathologic and functional assays of phosphatidylinositol 3-kinase-AKT (serine/threonine kinase)-mammalian target of rapamycin (mTOR) pathway activity in resected brain tissue and cultured neurons were performed to validate mutations.Whole-exome sequencing and targeted sequencing identified variants associated with this spectrum of developmental brain disorders.Low-level mosaic mutations of MTOR were identified in brain tissue in 4 children with FCD type 2a with alternative allele fractions ranging from 0.012 to 0.086. Intermediate-level mosaic mutation of MTOR (p.Thr1977Ile) was also identified in 3 unrelated children with diffuse megalencephaly and pigmentary mosaicism in skin. Finally, a constitutional de novo mutation of MTOR (p.Glu1799Lys) was identified in 3 unrelated children with diffuse megalencephaly and intellectual disability. Molecular and functional analysis in 2 children with FCD2a from whom multiple affected brain tissue samples were available revealed a mutation gradient with an epicenter in the most epileptogenic area. When expressed in cultured neurons, all MTOR mutations identified here drive constitutive activation of mTOR complex 1 and enlarged neuronal size.In this study, mutations of MTOR were associated with a spectrum of brain overgrowth phenotypes extending from FCD type 2a to diffuse megalencephaly, distinguished by different mutations and levels of mosaicism. These mutations may be sufficient to cause cellular hypertrophy in cultured neurons and may provide a demonstration of the pattern of mosaicism in brain and substantiate the link between mosaic mutations of MTOR and pigmentary mosaicism in skin.

Abstract The contribution of de novo and ultra-rare genetic variants in severe and moderate intellectual disability (ID) has been extensively studied whereas the genetic architecture of mild ID has been less well characterized. To elucidate the genetic background of milder ID we studied a regional cohort of 442 ID patients enriched for mild ID (>50%) from a population isolate of Finland. We analyzed rare variants using exome sequencing and CNV genotyping and common variants using common variant polygenic risk scores. As controls we used a Finnish collection of exome sequenced (n=11311) and GWAS chip genotyped (n=11699) individuals. We show that rare damaging variants in genes known to be associated with cognitive defects are observed more often in severe (27%) than in mild ID (13%) patients (p-value: 7.0e-4). We further observed a significant enrichment of protein truncating variants in loss-of-function intolerant genes, as well as damaging missense variants in genes not yet associated with cognitive defects (OR: 2.1, p-value: 3e-8). For the first time to our knowledge, we show that a common variant polygenic load significantly contributes to all severity forms of ID. The heritability explained was the highest for educational attainment (EDU) in mild ID explaining 2.2% of the heritability on liability scale. For more severe ID it was lower at 0.6%. Finally, we identified a homozygote variant in the CRADD gene to be a cause of a specific syndrome with ID and pachygyria. The frequency of this variant is 50x higher in the Finnish population than in non-Finnish Europeans, demonstrating the benefits of utilizing population isolates in rare variant analysis of diseases under negative selection.