Mutations in SCN2A, a gene encoding the voltage-gated sodium channel Nav1.2, have been associated with a spectrum of epilepsies and neurodevelopmental disorders. Here, we report the phenotypes of 71 patients and review 130 previously reported patients. We found that (i) encephalopathies with infantile/childhood onset epilepsies (≥3 months of age) occur almost as often as those with an early infantile onset (<3 months), and are thus more frequent than previously reported; (ii) distinct phenotypes can be seen within the late onset group, including myoclonic-atonic epilepsy (two patients), Lennox-Gastaut not emerging from West syndrome (two patients), and focal epilepsies with an electrical status epilepticus during slow sleep-like EEG pattern (six patients); and (iii) West syndrome constitutes a common phenotype with a major recurring mutation (p.Arg853Gln: two new and four previously reported children). Other known phenotypes include Ohtahara syndrome, epilepsy of infancy with migrating focal seizures, and intellectual disability or autism without epilepsy. To assess the response to antiepileptic therapy, we retrospectively reviewed the treatment regimen and the course of the epilepsy in 66 patients for which well-documented medical information was available. We find that the use of sodium channel blockers was often associated with clinically relevant seizure reduction or seizure freedom in children with early infantile epilepsies (<3 months), whereas other antiepileptic drugs were less effective. In contrast, sodium channel blockers were rarely effective in epilepsies with later onset (≥3 months) and sometimes induced seizure worsening. Regarding the genetic findings, truncating mutations were exclusively seen in patients with late onset epilepsies and lack of response to sodium channel blockers. Functional characterization of four selected missense mutations using whole cell patch-clamping in tsA201 cells-together with data from the literature-suggest that mutations associated with early infantile epilepsy result in increased sodium channel activity with gain-of-function, characterized by slowing of fast inactivation, acceleration of its recovery or increased persistent sodium current. Further, a good response to sodium channel blockers clinically was found to be associated with a relatively small gain-of-function. In contrast, mutations in patients with late-onset forms and an insufficient response to sodium channel blockers were associated with loss-of-function effects, including a depolarizing shift of voltage-dependent activation or a hyperpolarizing shift of channel availability (steady-state inactivation). Our clinical and experimental data suggest a correlation between age at disease onset, response to sodium channel blockers and the functional properties of mutations in children with SCN2A-related epilepsy.

Abstract The rise of pangenomic molecular assays allowed uncovering complex rearrangements named chromoanagenesis that were hypothesized to result from catastrophic shattering events. Constitutional cases have typically been reported individually preventing identification of common features and uncovering the mechanisms at play. We characterized 20 new chromoanagenesis and discovered yet undescribed features. While literature differentiates chromothripsis and its shattering event repaired through non-homologous end joining from chromoanasynthesis born to aberrant replicative processes, we identified shattered chromosomes repaired through a combination of mechanisms. In particular, three samples present with “rearrangement hubs” comprising a fragmented kilobase-long sequence threaded throughout the rearrangement. To assess the mechanisms at play, we merged our data with those of 20 published constitutional complex chromosomal rearrangement cases. We evaluated if the distribution of their 1032 combined breakpoints was distinctive using bootstrap simulations and found that breakpoints tend to keep away from haplosensitive genes suggesting selective pressure. We then compared their distribution with that of 13,310 and 468 breakpoints of cancer complex chromosomal rearrangements and constitutional simple rearrangement samples, respectively. Both complex rearrangement groups showed breakpoint enrichment in late replicating regions suggesting similar origins for constitutional and cancer cases. Simple rearrangement breakpoints but not complex ones were depleted from lamina-associated domains (LADs), possibly as a consequence of reduced mobility of DNA ends bound to lamina. The enrichment of breakpoints in late-replicating chromatin for both constitutional and cancer chromoanagenesis provides an orthogonal support to the premature chromosome condensation hypothesis that was put forward to explain chromoanagenesis .

Whereas genome-wide association studies (GWAS) allowed identifying thousands of associations between variants and traits, their success rate in pinpointing causal genes has been disproportionately low. Here, we integrate biobank-scale phenotype data from carriers of a rare copy-number variant (CNV), Mendelian randomization and animal modeling to identify causative genes in a GWAS locus for age at menarche (AaM). We show that the dosage of the 16p11.2 BP4-BP5 interval is correlated positively with AaM in the UK and Estonian biobanks and 16p11.2 clinical cohorts, with a directionally consistent trend for pubertal onset in males. These correlations parallel an increase in reproductive tract disorders in both sexes. In support of these observations, 16p11.2 mouse models display perturbed pubertal onset and structurally altered reproductive organs that track with CNV dose. Further, we report a negative correlation between the 16p11.2 dosage and relative hypothalamic volume in both humans and mice, intimating a perturbation in the gonadotropin-releasing hormone (GnRH) axis. Two independent lines of evidence identified candidate causal genes for AaM; Mendelian randomization and agnostic dosage modulation of each 16p11.2 gene in zebrafish gnrh3:egfp models. ASPHD1 , expressed predominantly in brain and pituitary gland, emerged as a major phenotype driver; and it is subject to modulation by KCTD13 to exacerbate GnRH neuron phenotype. Together, our data highlight the power of an interdisciplinary approach to elucidate disease etiologies underlying complex traits.

Phelan-McDermid syndrome (PMS) is characterized by a variety of clinical symptoms with heterogeneous degrees of severity, including intellectual disability, speech impairment, and autism spectrum disorders (ASD). It results from a deletion of the 22q13 locus that in most cases includes the SHANK3 gene. SHANK3 is considered a major gene for PMS, but the factors modulating the severity of the syndrome remain largely unknown. In this study, we investigated 85 PMS patients with different 22q13 rearrangements (78 deletions, 7 duplications). We first explored their clinical features and provide evidence for frequent corpus callosum abnormalities. We then mapped candidate genomic regions at the 22q13 locus associated with risk of clinical features, and suggest a second locus associated with absence of speech. Finally, in some cases, we identified additional rearrangements at loci associated with ASD, potentially modulating the severity of the syndrome. We also report the first SHANK3 deletion transmitted to five affected daughters by a mother without intellectual disability nor ASD, suggesting that some individuals could compensate for such mutations. In summary, we shed light on the genotype-phenotype relationship of PMS, a step towards the identification of compensatory mechanisms for a better prognosis and possibly treatments of patients with neurodevelopmental disorders.