A physical map has been constructed of the human genome containing 15,086 sequence-tagged sites (STSs), with an average spacing of 199 kilobases. The project involved assembly of a radiation hybrid map of the human genome containing 6193 loci and incorporated a genetic linkage map of the human genome containing 5264 loci. This information was combined with the results of STS-content screening of 10,850 loci against a yeast artificial chromosome library to produce an integrated map, anchored by the radiation hybrid and genetic maps. The map provides radiation hybrid coverage of 99 percent and physical coverage of 94 percent of the human genome. The map also represents an early step in an international project to generate a transcript map of the human genome, with more than 3235 expressed sequences localized. The STSs in the map provide a scaffold for initiating large-scale sequencing of the human genome.

Ephrin-B2 is a transmembrane ligand that is specifically expressed on arteries but not veins and that is essential for cardiovascular development. However, ephrin-B2 is also expressed in nonvascular tissues and interacts with multiple EphB class receptors expressed in both endothelial and nonendothelial cell types. Thus, the identity of the relevant receptor for ephrin-B2 and the site(s) where these molecules interact to control angiogenesis were not clear. Here we show that EphB4, a specific receptor for ephrin-B2, is exclusively expressed by vascular endothelial cells in embryos and is preferentially expressed on veins. A targeted mutation in EphB4 essentially phenocopies the mutation in ephrin-B2. These data indicate that ephrin-B2–EphB4 interactions are intrinsically required in vascular endothelial cells and are consistent with the idea that they mediate bidirectional signaling essential for angiogenesis.

The authors analyzed the whole-exome sequences of over 16,000 individuals and found that very rare variants predicted to disrupt the SETD1A gene confer substantial risk for schizophrenia. Damaging variants in SETD1A were also associated with diverse, severe developmental disorders, providing an important genetic link between schizophrenia and other neurodevelopmental disorders. By analyzing the whole-exome sequences of 4,264 schizophrenia cases, 9,343 controls and 1,077 trios, we identified a genome-wide significant association between rare loss-of-function (LoF) variants in SETD1A and risk for schizophrenia (P = 3.3 × 10−9). We found only two heterozygous LoF variants in 45,376 exomes from individuals without a neuropsychiatric diagnosis, indicating that SETD1A is substantially depleted of LoF variants in the general population. Seven of the ten individuals with schizophrenia carrying SETD1A LoF variants also had learning difficulties. We further identified four SETD1A LoF carriers among 4,281 children with severe developmental disorders and two more carriers in an independent sample of 5,720 Finnish exomes, both with notable neuropsychiatric phenotypes. Together, our observations indicate that LoF variants in SETD1A cause a range of neurodevelopmental disorders, including schizophrenia. Combining these data with previous common variant evidence, we suggest that epigenetic dysregulation, specifically in the histone H3K4 methylation pathway, is an important mechanism in the pathogenesis of schizophrenia.

Abstract KPTN -related disorder (KRD) is an autosomal recessive disorder associated with germline variants in KPTN ( kaptin ), a component of the mTOR regulatory complex KICSTOR. To gain further insights into the pathogenesis of KRD, we analysed mouse knockout and human stem cell KPTN loss-of-function models. Kptn −/− mice display many of the key KRD phenotypes, including brain overgrowth, behavioural abnormalities, and cognitive deficits. Assessment of affected individuals has identified concordant selectivity of cognitive deficits, postnatal onset of brain overgrowth, and a previously unrecognised KPTN dosage-sensitivity, resulting in increased head circumference in their heterozygous parents. Molecular and structural analysis of Kptn −/− mice revealed pathological changes, including differences in brain size, shape, and cell numbers primarily due to abnormal postnatal brain development. Both the mouse and differentiated iPSC models of the disorder display transcriptional and biochemical evidence for altered mTOR pathway signalling, supporting the role of KPTN in regulating mTORC1. Increased mTOR signalling downstream of KPTN is rapamycin sensitive, highlighting possible therapeutic avenues with currently available mTOR inhibitors. These findings place KRD in the broader group of mTORC1 related disorders affecting brain structure, cognitive function, and network integrity.

Abstract Many variants that we inherit from our parents or acquire de novo or somatically are rare, limiting the precision with which we can associate them with disease. We performed exhaustive saturation genome editing (SGE) of BAP1 , the disruption of which is linked to tumorigenesis and altered neurodevelopment. We experimentally characterized 18,108 unique variants, of which 6,196 were found to have abnormal functions, and then used these data to evaluate phenotypic associations in the UK Biobank. We also characterized variants in a large population-ascertained tumor collection, in cancer pedigrees and ClinVar, and explored the behavior of cancer-associated variants compared to that of variants linked to neurodevelopmental phenotypes. Our analyses demonstrated that disruptive germline BAP1 variants were significantly associated with higher circulating levels of the mitogen IGF-1, suggesting a possible pathological mechanism and therapeutic target. Furthermore, we built a variant classifier with >98% sensitivity and specificity and quantify evidence strengths to aid precision variant interpretation.

Schizophrenia is a common, debilitating psychiatric disorder with a substantial genetic component. By analysing the whole-exome sequences of 4,264 schizophrenia cases, 9,343 controls, and 1,077 parent-proband trios, we identified a genome-wide significant association between rare loss-of-function (LoF) variants in KMT2F and risk for schizophrenia. In this dataset, we observed three de novo LoF mutations, seven LoF variants in cases, and none in controls (P=3.3x10^(-9)). To search for LoF variants in KMT2F in individuals without a known neuropsychiatric diagnosis, we examined the exomes of 45,376 individuals in the ExAC database and found only two heterozygous LoF variants, showing that KMT2F is significantly depleted of LoF variants in the general population. Seven of the ten individuals with schizophrenia carrying KMT2F LoF variants also had varying degrees of learning difficulties. We further identified four KMT2F LoF carriers among 4,281 children with diverse, severe, undiagnosed developmental disorders, and two additional carriers in an independent sample of 5,720 Finnish exomes, both with notable neuropsychiatric phenotypes. Together, our observations show that LoF variants in KMT2F cause a range of neurodevelopmental disorders, including schizophrenia. Combined with previous common variant evidence, we more generally implicate epigenetic dysregulation, specifically in the histone H3K4 methylation pathway, as an important mechanism in the pathogenesis of schizophrenia.

Abstract Efficient and effective methods for converting human induced pluripotent stem cells (iPSC) into differentiated derivatives are critical for performing robust, large-scale studies of development and disease modelling, and for providing a source of cells for regenerative medicine. Here, we describe a 14-day neural differentiation protocol which allows for the scalable, simultaneous differentiation of multiple iPSC lines into cortical neural stem cells (NSCs). We currently employ this protocol to differentiate and compare sets of engineered iPSC lines carrying loss of function alleles in developmental disorder associated genes, alongside isogenic wildtype controls. Using RNA sequencing (RNA-Seq), we can examine the changes in gene expression brought about by each disease gene knockout, to determine its impact on neural development and explore mechanisms of disease. The 10-day Neural Induction period uses the well established dual-SMAD inhibition approach combined with Wnt/β-Catenin inhibition to selectively induce formation of cortical NSCs. This is followed by a 4-day Neural Maintenance period facilitating NSC expansion and rosette formation, and NSC cryopreservation. We also describe methods for thawing and passaging the cryopreserved NSCs, which are useful in confirming their viability for further culture. Routine implementation of ICC Quality Control confirms the presence of PAX6-positive and/or FOXG1-positive NSCs and the absence of OCT4-positive iPSCs after differentiation. RNA-Seq, flow cytometry, immunocytochemistry (ICC) and RT-qPCR provide additional confirmation of robust presence of NSC markers in the differentiated cells. The broader utility and application of our protocol is demonstrated by the successful differentiation of wildtype iPSC lines from five additional independent donors. This paper thereby describes an efficient method for the production of large numbers of high purity cortical NSCs, which are widely applicable for downstream research into developmental mechanisms, further differentiation into postmitotic cortical neurons, or other applications such as large-scale drug screening experiments.

Perturbation of gene function is a powerful way to understand the role of individual genes in cellular systems. Whole-genome CRISPR/Cas-based screens have parallelized this approach and identified genes that modulate growth in many contexts. However, the DNA break-induced stress upon Cas9 action limits the efficacy of these screens in important models, such as human induced pluripotent stem cells (iPSCs). Silencing with a catalytically inactive Cas9 is a less stressful alternative, but has been considered less effective so far. Here, we first tested the efficiency of several dCas9 fusion proteins for target repression in human iPSCs, and identified dCas9-KRAB-MeCP2 as the most potent. We then produced monoclonal and polyclonal cell lines carrying this construct from multiple iPSC donors, and optimized genome-wide screens with them. We found silencing in a 200bp window around the transcription start site to be as effective as using wild-type Cas9 for identifying essential genes in iPSCs, but with a reduced cost due to better cell survival. Monoclonal lines performed better, but data from polyclonal lines were of sufficient quality for screening for larger effects. Finally, we performed whole-genome screens to identify dosage sensitivities that depend on the functionality of ARID1A, a commonly mutated cancer and developmental disorder gene. We observed differential growth upon depletion of NF2, TAF6L, EZH2, and PSMB2 genes in ARID1A+/-lines compared to wild type, and an enrichment of proteasome genes. Further, we confirmed that the context-specific growth decrease was phenocopied by treating the cells with a proteasome inhibitor, suggesting a pharmacologically targetable synthetic lethal interaction between the proteasome and ARID1A. We propose that many more plausible targets in challenging cell models can be efficiently identified with our approach.

Mobile genetic Elements (MEs) are segments of DNA which, through an RNA intermediate, can generate new copies of themselves and other transcribed sequences through the process of retrotransposition (RT). In humans several disorders have been attributed to RT, but the role of RT in severe developmental disorders (DD) has not yet been explored. As such, we have identified RT-derived events in 9,738 exome sequenced trios with DD-affected probands as part of the Deciphering Developmental Disorders (DDD) study. We have ascertained 9 de novo MEs, 4 of which are likely causative of the patient’s symptoms (0.04% of probands), as well as 2 de novo gene retroduplications. Beyond identifying likely diagnostic RT events, we have estimated genome-wide germline ME mutagenesis and constraint and demonstrated that coding RT events have signatures of purifying selection equivalent to those of truncating mutations. Overall, our analysis represents a comprehensive interrogation of the impact of retrotransposition on protein coding genes and a framework for future evolutionary and disease studies.

Abstract Motivation Recent advances in CRISPR/Cas9 technology allow for the functional analysis of genetic variants at single nucleotide resolution whilst maintaining genomic context (Findlay et al., 2018). This approach, known as saturation genome editing (SGE), is a distinct type of deep mutational scanning (DMS) that systematically alters each position in a target region to explore its function. SGE experiments require the design and synthesis of oligonucleotide variant libraries which are introduced into the genome by homology-directed repair (HDR). This technology is broadly applicable to diverse research fields such as disease variant identification, drug development, structure-function studies, synthetic biology, evolutionary genetics and the study of host-pathogen interactions. Here we present the Variant Library Annotation Tool (VaLiAnT) which can be used to generate saturation mutagenesis oligonucleotide libraries from user-defined genomic coordinates and standardised input files. This software package is intentionally versatile to accommodate diverse operability, with species, genomic reference sequences and transcriptomic annotations specified by the user. Genomic ranges, directionality and frame information are considered to allow perturbations at both the nucleotide and amino acid level. Results Coordinates for a genomic range, that may include exonic and/or intronic sequence, are provided by the user in order to retrieve a corresponding oligonucleotide reference sequence. A user-specified range within this sequence is then subject to systematic, nucleotide and/or amino acid saturating mutator functions, with each discrete mutation returned to the user as a separate sequence, building up the final oligo library. If desired, variant accessions from genetic information repositories, such as ClinVar and gnomAD, that fall within the user-specified ranges, will also be incorporated into the library. For SGE library generation, base reference sequences can be modified to include PAM (Protospacer Adjacent Motif) and protospacer ‘protection edits’ that prevent Cas9 from cutting incorporated oligonucleotide tracts. Mutator functions modify this protected reference sequence to generate variant sequences. Constant regions are designated for non-editing to allow specific adapter annealing for downstream cloning and amplification from the library pool. A metadata file is generated, delineating annotation information for each variant sequence to aid computational analysis. In addition, a library file is generated, which contains unique sequences (any exact duplicate sequences are removed) ready for submission to commercial synthesis platforms. A VCF file listing all variants is also generated for analysis and quality control processes. The VaLiAnT software package provides a novel means to systemically retrieve, mutate and annotate genomic sequences for oligonucleotide library generation. Specific features for SGE library generation can be employed, with other diverse applications possible. Availability and Implementation VaLiAnT is a command line tool written in Python. Source code, testing data, example library input and output files, and executables are available at https://github.com/cancerit/VaLiAnT . A user manual details step by step instructions for software use, available at https://github.com/cancerit/VaLiAnT/wiki . The software is freely available for non-commercial use (see Licence for more details, https://github.com/cancerit/VaLiAnT/blob/develop/LICENSE ).