The genetic architecture of autism spectrum disorder involves the interplay of common and rare variants and their impact on hundreds of genes. Using exome sequencing, here we show that analysis of rare coding variation in 3,871 autism cases and 9,937 ancestry-matched or parental controls implicates 22 autosomal genes at a false discovery rate (FDR) < 0.05, plus a set of 107 autosomal genes strongly enriched for those likely to affect risk (FDR < 0.30). These 107 genes, which show unusual evolutionary constraint against mutations, incur de novo loss-of-function mutations in over 5% of autistic subjects. Many of the genes implicated encode proteins for synaptic formation, transcriptional regulation and chromatin-remodelling pathways. These include voltage-gated ion channels regulating the propagation of action potentials, pacemaking and excitability–transcription coupling, as well as histone-modifying enzymes and chromatin remodellers—most prominently those that mediate post-translational lysine methylation/demethylation modifications of histones. Whole-exome sequencing in a large autism study identifies over 100 autosomal genes that are likely to affect risk for the disorder; these genes, which show unusual evolutionary constraint against mutations, carry de novo loss-of-function mutations in over 5% of autistic subjects and many function in synaptic, transcriptional and chromatin-remodelling pathways. Autism spectrum disorder (ASD) is a broad group of brain development disorders, including autism, childhood disintegrative disorder and Asperger's syndrome, characterized by impaired social interaction and communication, repetitive behaviour and restricted interests. Two groups reporting in this issue of Nature have used large-scale whole-exome sequencing to examine the contribution of inherited and germline de novo mutations to ASD risk. Silvia De Rubeis et al. analysed DNA samples from 3,871 autism cases and 9,937 ancestry-matched or parental controls and identify more than 100 autosomal genes that are likely to affect risk for the disease. De novo loss-of-function mutations were detected in more than 5% of autistic subjects. Many of the associated gene products appear to function in synaptic, transcriptional, and chromatin remodelling pathways. Ivan Iossifov et al. sequenced exomes from more than 2,500 families, each with one child with ASD. They identify 27 high-confidence gene targets and estimate that 13% of de novo missense mutations and 43% of de novo 'likely gene-disrupting' (LGD) mutations contribute to 12% and 9% of diagnoses, respectively.

Over the past decade, the Database of Genomic Variants (DGV; http://dgv.tcag.ca/) has provided a publicly accessible, comprehensive curated catalogue of structural variation (SV) found in the genomes of control individuals from worldwide populations. Here, we describe updates and new features, which have expanded the utility of DGV for both the basic research and clinical diagnostic communities. The current version of DGV consists of 55 published studies, comprising >2.5 million entries identified in >22 300 genomes. Studies included in DGV are selected from the accessioned data sets in the archival SV databases dbVar (NCBI) and DGVa (EBI), and then further curated for accuracy and validity. The core visualization tool (gbrowse) has been upgraded with additional functions to facilitate data analysis and comparison, and a new query tool has been developed to provide flexible and interactive access to the data. The content from DGV is regularly incorporated into other large-scale genome reference databases and represents a standard data resource for new product and database development, in particular for copy number variation testing in clinical labs. The accurate cataloguing of variants in DGV will continue to enable medical genetics and genome sequencing research.

Predicting defects in RNA splicing Most eukaryotic messenger RNAs (mRNAs) are spliced to remove introns. Splicing generates uninterrupted open reading frames that can be translated into proteins. Splicing is often highly regulated, generating alternative spliced forms that code for variant proteins in different tissues. RNA-binding proteins that bind specific sequences in the mRNA regulate splicing. Xiong et al. develop a computational model that predicts splicing regulation for any mRNA sequence (see the Perspective by Guigó and Valcárcel). They use this to analyze more than half a million mRNA splicing sequence variants in the human genome. They are able to identify thousands of known disease-causing mutations, as well as many new disease candidates, including 17 new autism-linked genes. Science , this issue 10.1126/science.1254806 ; see also p. 124

Yuen et al. developed a cloud-based database with 5,205 whole genomes from families with autism spectrum disorder (ASD). They identified 18 new candidate ASD-risk genes and approximately 100 risk genes and copy-number loci, which account for 11% of the cases. They also found that individuals bearing mutations in ASD-risk genes had lower adaptive ability. We are performing whole-genome sequencing of families with autism spectrum disorder (ASD) to build a resource (MSSNG) for subcategorizing the phenotypes and underlying genetic factors involved. Here we report sequencing of 5,205 samples from families with ASD, accompanied by clinical information, creating a database accessible on a cloud platform and through a controlled-access internet portal. We found an average of 73.8 de novo single nucleotide variants and 12.6 de novo insertions and deletions or copy number variations per ASD subject. We identified 18 new candidate ASD-risk genes and found that participants bearing mutations in susceptibility genes had significantly lower adaptive ability (P = 6 × 10−4). In 294 of 2,620 (11.2%) of ASD cases, a molecular basis could be determined and 7.2% of these carried copy number variations and/or chromosomal abnormalities, emphasizing the importance of detecting all forms of genetic variation as diagnostic and therapeutic targets in ASD.

Autism Spectrum Disorder (ASD) demonstrates high heritability and familial clustering, yet the genetic causes remain only partially understood as a result of extensive clinical and genomic heterogeneity. Whole-genome sequencing (WGS) shows promise as a tool for identifying ASD risk genes as well as unreported mutations in known loci, but an assessment of its full utility in an ASD group has not been performed. We used WGS to examine 32 families with ASD to detect de novo or rare inherited genetic variants predicted to be deleterious (loss-of-function and damaging missense mutations). Among ASD probands, we identified deleterious de novo mutations in six of 32 (19%) families and X-linked or autosomal inherited alterations in ten of 32 (31%) families (some had combinations of mutations). The proportion of families identified with such putative mutations was larger than has been previously reported; this yield was in part due to the comprehensive and uniform coverage afforded by WGS. Deleterious variants were found in four unrecognized, nine known, and eight candidate ASD risk genes. Examples include CAPRIN1 and AFF2 (both linked to FMR1, which is involved in fragile X syndrome), VIP (involved in social-cognitive deficits), and other genes such as SCN2A and KCNQ2 (linked to epilepsy), NRXN1, and CHD7, which causes ASD-associated CHARGE syndrome. Taken together, these results suggest that WGS and thorough bioinformatic analyses for de novo and rare inherited mutations will improve the detection of genetic variants likely to be associated with ASD or its accompanying clinical symptoms. Autism Spectrum Disorder (ASD) demonstrates high heritability and familial clustering, yet the genetic causes remain only partially understood as a result of extensive clinical and genomic heterogeneity. Whole-genome sequencing (WGS) shows promise as a tool for identifying ASD risk genes as well as unreported mutations in known loci, but an assessment of its full utility in an ASD group has not been performed. We used WGS to examine 32 families with ASD to detect de novo or rare inherited genetic variants predicted to be deleterious (loss-of-function and damaging missense mutations). Among ASD probands, we identified deleterious de novo mutations in six of 32 (19%) families and X-linked or autosomal inherited alterations in ten of 32 (31%) families (some had combinations of mutations). The proportion of families identified with such putative mutations was larger than has been previously reported; this yield was in part due to the comprehensive and uniform coverage afforded by WGS. Deleterious variants were found in four unrecognized, nine known, and eight candidate ASD risk genes. Examples include CAPRIN1 and AFF2 (both linked to FMR1, which is involved in fragile X syndrome), VIP (involved in social-cognitive deficits), and other genes such as SCN2A and KCNQ2 (linked to epilepsy), NRXN1, and CHD7, which causes ASD-associated CHARGE syndrome. Taken together, these results suggest that WGS and thorough bioinformatic analyses for de novo and rare inherited mutations will improve the detection of genetic variants likely to be associated with ASD or its accompanying clinical symptoms.

The use of genome-wide tests to provide molecular diagnosis for individuals with autism spectrum disorder (ASD) requires more study.To perform chromosomal microarray analysis (CMA) and whole-exome sequencing (WES) in a heterogeneous group of children with ASD to determine the molecular diagnostic yield of these tests in a sample typical of a developmental pediatric clinic.The sample consisted of 258 consecutively ascertained unrelated children with ASD who underwent detailed assessments to define morphology scores based on the presence of major congenital abnormalities and minor physical anomalies. The children were recruited between 2008 and 2013 in Newfoundland and Labrador, Canada. The probands were stratified into 3 groups of increasing morphological severity: essential, equivocal, and complex (scores of 0-3, 4-5, and ≥6).All probands underwent CMA, with WES performed for 95 proband-parent trios.The overall molecular diagnostic yield for CMA and WES in a population-based ASD sample stratified in 3 phenotypic groups.Of 258 probands, 24 (9.3%, 95%CI, 6.1%-13.5%) received a molecular diagnosis from CMA and 8 of 95 (8.4%, 95%CI, 3.7%-15.9%) from WES. The yields were statistically different between the morphological groups. Among the children who underwent both CMA and WES testing, the estimated proportion with an identifiable genetic etiology was 15.8% (95%CI, 9.1%-24.7%; 15/95 children). This included 2 children who received molecular diagnoses from both tests. The combined yield was significantly higher in the complex group when compared with the essential group (pairwise comparison, P = .002). [table: see text].Among a heterogeneous sample of children with ASD, the molecular diagnostic yields of CMA and WES were comparable, and the combined molecular diagnostic yield was higher in children with more complex morphological phenotypes in comparison with the children in the essential category. If replicated in additional populations, these findings may inform appropriate selection of molecular diagnostic testing for children affected by ASD.

Abstract The standard of care for first-tier clinical investigation of the aetiology of congenital malformations and neurodevelopmental disorders is chromosome microarray analysis (CMA) for copy-number variations (CNVs), often followed by gene(s)-specific sequencing searching for smaller insertion–deletions (indels) and single-nucleotide variant (SNV) mutations. Whole-genome sequencing (WGS) has the potential to capture all classes of genetic variation in one experiment; however, the diagnostic yield for mutation detection of WGS compared to CMA, and other tests, needs to be established. In a prospective study we utilised WGS and comprehensive medical annotation to assess 100 patients referred to a paediatric genetics service and compared the diagnostic yield versus standard genetic testing. WGS identified genetic variants meeting clinical diagnostic criteria in 34% of cases, representing a fourfold increase in diagnostic rate over CMA (8% ; P value=1.42E−05) alone and more than twofold increase in CMA plus targeted gene sequencing (13%; P value=0.0009). WGS identified all rare clinically significant CNVs that were detected by CMA. In 26 patients, WGS revealed indel and missense mutations presenting in a dominant (63%) or a recessive (37%) manner. We found four subjects with mutations in at least two genes associated with distinct genetic disorders, including two cases harbouring a pathogenic CNV and SNV. When considering medically actionable secondary findings in addition to primary WGS findings, 38% of patients would benefit from genetic counselling. Clinical implementation of WGS as a primary test will provide a higher diagnostic yield than conventional genetic testing and potentially reduce the time required to reach a genetic diagnosis.

De novo mutations (DNMs) are important in Autism Spectrum Disorder (ASD), but so far analyses have mainly been on the ~1.5% of the genome encoding genes. Here, we performed whole genome sequencing (WGS) of 200 ASD parent-child trios and characterized germline and somatic DNMs. We confirmed that the majority of germline DNMs (75.6%) originated from the father, and these increased significantly with paternal age only (p=4.2×10-10). However, when clustered DNMs (those within 20kb) were found in ASD, not only did they mostly originate from the mother (p=7.7×10-13), but they could also be found adjacent to de novo copy number variations (CNVs) where the mutation rate was significantly elevated (p=2.4×10-24). By comparing DNMs detected in controls, we found a significant enrichment of predicted damaging DNMs in ASD cases (p=8.0×10-9; OR=1.84), of which 15.6% (p=4.3×10-3) and 22.5% (p=7.0×10-5) were in the non-coding or genic non-coding, respectively. The non-coding elements most enriched for DNM were untranslated regions of genes, boundaries involved in exon-skipping and DNase I hypersensitive regions. Using microarrays and a novel outlier detection test, we also found aberrant methylation profiles in 2/185 (1.1%) of ASD cases. These same individuals carried independently identified DNMs in the ASD risk- and epigenetic- genes DNMT3A and ADNP. Our data begins to characterize different genome-wide DNMs, and highlight the contribution of non-coding variants, to the etiology of ASD.

Expansion of a single repetitive DNA sequence, termed a tandem repeat (TR), is known to cause more than 50 diseases1,2. However, repeat expansions are often not explored beyond neurological and neurodegenerative disorders. In some cancers, mutations accumulate in short tracts of TRs, a phenomenon termed microsatellite instability; however, larger repeat expansions have not been systematically analysed in cancer3-8. Here we identified TR expansions in 2,622 cancer genomes spanning 29 cancer types. In seven cancer types, we found 160 recurrent repeat expansions (rREs), most of which (155/160) were subtype specific. We found that rREs were non-uniformly distributed in the genome with enrichment near candidate cis-regulatory elements, suggesting a potential role in gene regulation. One rRE, a GAAA-repeat expansion, located near a regulatory element in the first intron of UGT2B7 was detected in 34% of renal cell carcinoma samples and was validated by long-read DNA sequencing. Moreover, in preliminary experiments, treating cells that harbour this rRE with a GAAA-targeting molecule led to a dose-dependent decrease in cell proliferation. Overall, our results suggest that rREs may be an important but unexplored source of genetic variation in human cancer, and we provide a comprehensive catalogue for further study.