Abstract Individuals with ultrarare disorders pose a structural challenge for healthcare systems since expert clinical knowledge is required to establish diagnoses. In TRANSLATE NAMSE, a 3-year prospective study, we evaluated a novel diagnostic concept based on multidisciplinary expertise in Germany. Here we present the systematic investigation of the phenotypic and molecular genetic data of 1,577 patients who had undergone exome sequencing and were partially analyzed with next-generation phenotyping approaches. Molecular genetic diagnoses were established in 32% of the patients totaling 370 distinct molecular genetic causes, most with prevalence below 1:50,000. During the diagnostic process, 34 novel and 23 candidate genotype–phenotype associations were identified, mainly in individuals with neurodevelopmental disorders. Sequencing data of the subcohort that consented to computer-assisted analysis of their facial images with GestaltMatcher could be prioritized more efficiently compared with approaches based solely on clinical features and molecular scores. Our study demonstrates the synergy of using next-generation sequencing and phenotyping for diagnosing ultrarare diseases in routine healthcare and discovering novel etiologies by multidisciplinary teams.

Abstract Whereas large-scale statistical analyses can robustly identify disease-gene relationships, they do not accurately capture genotype-phenotype correlations or disease mechanisms. We use multiple lines of independent evidence to show that different variant types in a single gene, SATB1 , cause clinically overlapping but distinct neurodevelopmental disorders. Clinical evaluation of 42 individuals carrying SATB1 variants identified overt genotype-phenotype relationships, associated with different pathophysiological mechanisms, established by functional assays. Missense variants in the CUT1 and CUT2 DNA-binding domains result in stronger chromatin binding, increased transcriptional repression and a severe phenotype. Contrastingly, variants predicted to result in haploinsufficiency are associated with a milder clinical presentation. A similarly mild phenotype is observed for individuals with premature protein truncating variants that escape nonsense-mediated decay and encode truncated proteins, which are transcriptionally active but mislocalized in the cell. Our results suggest that in-depth mutation-specific genotype-phenotype studies are essential to capture full disease complexity and to explain phenotypic variability.

Congenital anomalies of the kidney and urinary tract (CAKUT) represent the most common cause of chronic kidney disease in children. Although only 20% of cases can be genetically explained, the majority remain without an identified underlying etiology. The neurodevelopmental disorder Chung-Jansen syndrome (CHUJANS) is caused by haploinsufficiency of Pleckstrin homology domain-interacting protein (PHIP) and was previously associated with genital malformations. Anecdotal coincidence of CHUJANS and CAKUT prompted us to investigate whether urorenal malformations are part of the phenotypic spectrum of CHUJANS.

The shift to a genotype-first approach in genetic diagnostics has revolutionized our understanding of neurodevelopmental disorders, expanding both their molecular and phenotypic spectra. Kleefstra syndrome (KLEFS1) is caused by EHMT1 haploinsufficiency and exhibits broad clinical manifestations. EHMT1 encodes euchromatic histone methyltransferase-1-a pivotal component of the epigenetic machinery. We have recruited 209 individuals with a rare EHMT1 variant and performed comprehensive molecular in silico and in vitro testing alongside DNA methylation (DNAm) signature analysis for the identified variants. We (re)classified the variants as likely pathogenic/pathogenic (molecularly confirming Kleefstra syndrome) in 191 individuals. We provide an updated and broader clinical and molecular spectrum of Kleefstra syndrome, including individuals with normal intelligence and familial occurrence. Analysis of the EHMT1 variants reveals a broad range of molecular effects and their associated phenotypes, including distinct genotype-phenotype associations. Notably, we showed that disruption of the "reader" function of the ankyrin repeat domain by a protein altering variant (PAV) results in a KLEFS1-specific DNAm signature and milder phenotype, while disruption of only "writer" methyltransferase activity of the SET domain does not result in KLEFS1 DNAm signature or typical KLEFS1 phenotype. Similarly, N-terminal truncating variants result in a mild phenotype without the DNAm signature. We demonstrate how comprehensive variant analysis can provide insights into pathogenesis of the disorder and DNAm signature. In summary, this study presents a comprehensive overview of KLEFS1 and EHMT1, revealing its broader spectrum and deepening our understanding of its molecular mechanisms, thereby informing accurate variant interpretation, counseling, and clinical management.

Background: Deciphering the monogenetic causes of neurodevelopmental disorders (NDD) is an important milestone to offer personalized care. But the plausibility of reported candidate genes in exome studies often remains unclear, which slows down progress in the field. Methods: We performed exome sequencing (ES) in 198 cases of NDD. Cases that remained unresolved (n=135) were re-investigated in a research setting. We established a candidate scoring system (CaSc) based on 12 different parameters reflecting variant and gene attributes as well as current literature to rank and prioritize candidate genes. Results: In this cohort, we identified 158 candidate variants in 148 genes with CaSc ranging from 2 to 11.7. Only considering the top 15% of candidates, 14 genes were already published or funneled into promising validation studies. Conclusions: We promote that in an approach of case by case re-evaluation of primarily negative ES, systematic and standardized scoring of candidate genes can and should be applied. This simple framework enables better comparison, prioritization, and communication of candidate genes within the scientific community. This would represent an enormous benefit if applied to the tens of thousands of negative ES performed in routine diagnostics worldwide and speed up deciphering the monogenetic causes of NDD.