H3Africa is developing capacity for health-related genomics research in Africa

Importance

 While congenital malformations and genetic diseases are a leading cause of early infant death, to our knowledge, the contribution of single-gene disorders in this group is undetermined. 

Objective

 To determine the diagnostic yield and use of clinical exome sequencing in critically ill infants. 

Design, Setting, and Participants

 Clinical exome sequencing was performed for 278 unrelated infants within the first 100 days of life who were admitted to Texas Children’s Hospital in Houston, Texas, during a 5-year period between December 2011 and January 2017. Exome sequencing types included proband exome, trio exome, and critical trio exome, a rapid genomic assay for seriously ill infants. 

Main Outcomes and Measures

 Indications for testing, diagnostic yield of clinical exome sequencing, turnaround time, molecular findings, patient age at diagnosis, and effect on medical management among a group of critically ill infants who were suspected to have genetic disorders. 

Results

 The mean (SEM) age for infants participating in the study was 28.5 (1.7) days; of these, the mean (SEM) age was 29.0 (2.2) days for infants undergoing proband exome sequencing, 31.5 (3.9) days for trio exome, and 22.7 (3.9) days for critical trio exome. Clinical indications for exome sequencing included a range of medical concerns. Overall, a molecular diagnosis was achieved in 102 infants (36.7%) by clinical exome sequencing, with relatively low yield for cardiovascular abnormalities. The diagnosis affected medical management for 53 infants (52.0%) and had a substantial effect on informed redirection of care, initiation of new subspecialist care, medication/dietary modifications, and furthering life-saving procedures in select patients. Critical trio exome sequencing revealed a molecular diagnosis in 32 of 63 infants (50.8%) at a mean (SEM) of 33.1 (5.6) days of life with a mean (SEM) turnaround time of 13.0 (0.4) days. Clinical care was altered by the diagnosis in 23 of 32 patients (71.9%). The diagnostic yield, patient age at diagnosis, and medical effect in the group that underwent critical trio exome sequencing were significantly different compared with the group who underwent regular exome testing. For deceased infants (n = 81), genetic disorders were molecularly diagnosed in 39 (48.1%) by exome sequencing, with implications for recurrence risk counseling. 

Conclusions and Relevance

 Exome sequencing is a powerful tool for the diagnostic evaluation of critically ill infants with suspected monogenic disorders in the neonatal and pediatric intensive care units and its use has a notable effect on clinical decision making.

Abstract Coatomer complexes function in the sorting and trafficking of proteins between subcellular organelles. Pathogenic variants in coatomer subunits or associated factors have been reported in multi-systemic disorders, i.e., coatopathies, that can affect the skeletal and central nervous systems. We have identified loss-of-function variants in COPB2 , a component of the coatomer complex I (COPI), in individuals presenting with osteoporosis, fractures and developmental delay of variable severity. Because the role of COPB2 in bone has not been characterized, we studied the effect of COPB2 deficiency on skeletal development in mice and zebrafish. Copb2 +/− mice showed low bone mass and decreased bone strength. In zebrafish, larvae carrying a copb2 heterozygous frameshift variant showed delayed mineralization. copb2 -null embryos showed endoplasmic reticulum (ER) and Golgi disorganization, and embryonic lethality. COPB2 siRNA-treated fibroblasts showed delayed collagen trafficking with retention of type I collagen in the ER and Golgi, and altered distribution of Golgi markers. Our data suggest that COPB2 haploinsufficiency leads to disruption of intracellular collagen trafficking and osteoporosis, which may improve with ascorbic acid supplementation. This work highlights the role of COPI complex as a critical regulator of bone mass and identifies a new form of coatopathy due to COPB2 deficiency.

Purpose: The persistence of hypermutable "CGN" (CGG, CGA, CGC, CGU) arginine codons at high frequency suggests the possibility of negative selective pressure at these sites and that arginine codon usage could be a predictive indicator of human disease genes. Methods: We analyzed arginine codons (CGN, AGG, AGA) from all canonical Ensembl protein coding gene transcripts before comparing the frequency of CGN codons between genes with and without human disease associations and with gnomAD constraint metrics. Results: The frequency of CGN codons among a gene's total arginine codon count was higher in genes linked to syndromic autism spectrum disorder (ASD) compared to genes not associated with ASD. A comparison of genes annotated as dominant or recessive with control genes not matching either classification revealed a progressive increase in CGN codon frequency. Moreover, CGN frequency was positively correlated with a gene's probability of loss-of-function intolerance (pLI) score and negatively correlated with observed-over-expected ratios for both loss of function and missense mutations. Conclusion: Our findings indicate that genes utilizing CGN arginine codons rather than AGG or AGA are more likely to underlie single gene disorders, particularly for dominant phenotypes, and thus constitute candidate genes for the study of human genetic disease.

De novo variants in DDX3X account for 1-3% of unexplained intellectual disability (ID), one of the most common causes of ID, in females. Forty-seven patients (44 females, 3 males) have been described. We identified 29 additional individuals carrying 27 unique DDX3X variants in the setting of complex clinical presentations including developmental delay or ID. In addition to previously reported manifestations, rare or novel phenotypes were identified including respiratory problems, congenital heart disease, skeletal muscle mitochondrial DNA depletion, and late-onset neurologic decline. Our findings expand the spectrum of DNA variants and phenotypes associated with DDX3X disorders.

Diabetic embryopathy (DE) describes a spectrum of birth defects associated with a teratogenic exposure to maternal diabetes in utero. These defects strongly overlap the phenotypes of known genetic syndromes; however, the pathogenic mechanisms underlying DE remain uncertain and there are no definitive tests that distinguish the diagnosis. Here, we explore the potential of DNA methylation as both a diagnostic biomarker and a means of informing disease pathogenesis in DE. Capture-based bisulfite sequencing was used to compare patterns of DNA methylation at 2,800,516 sites genome-wide in seven DE neonates and 11 healthy neonates, including five with in utero diabetes exposure. DE infants had significantly lower global DNA methylation (ANOVA, Tukey HSD p=0.045) than diabetes-unexposed, healthy controls (UH), with multiple sites showing large (mean methylation difference = 16.6%) and significant (p<0.001) differential methylation between the two groups. We found that a subset of 237 highly differentially methylated loci could accurately distinguish DE infants from both UH and diabetes-exposed healthy infants (sensitivity 80%-100%). Differentially methylated sites were enriched in intergenic (p < 3.52 x 10-15) and intronic (p<0.001) regions found proximal to genes either associated with Mendelian syndromes that overlap the DE phenotype (e.g. TRIO, ANKRD11), or known to influence early organ development (e.g. BRAX1, RASA3). Further, by integrating information on cis-sequence variation, we found that 39.3% of loci with evidence for allele-specific methylation also showed differential methylation between DE and controls. Our study suggests a role for aberrant DNA methylation and cis-sequence variation in the pathogenesis of DE, and highlights the diagnostic potential of DNA methylation for teratogenic birth defects.

The deletion of the third exon of the growth hormone receptor ( GHRd3 ) is one of the most common genomic structural variants in the human genome. This deletion has been linked to response to growth hormone, placenta size, birth weight, growth after birth, time of menarche, adult height, and longevity. However, its evolutionary history and the exact mechanisms through which it affects phenotypes remain unresolved. While the analysis of thousands of genomes suggests that this deletion was nearly fixed in the ancestral population of anatomically modern humans and Neanderthals, it underwent a paradoxical adaptive reduction in frequency approximately 30 thousand years ago, a demographic signature that roughly corresponds with the emergence of multiple modern human behaviors and a concurrent population expansion. Using a mouse line engineered to contain the deletion, pleiotropic and sex-specific effects on organismal growth, the expression levels of hundreds of genes, and serum lipid composition were documented, potentially involving the nutrient-dependent mTORC1 pathway. These growth and metabolic effects are consistent with a model in which the allele frequency of GHRd3 varies throughout human evolution as a response to fluctuations in resource availability. The last distinctive prehistoric shift in allele frequency might be related to newly developed technological buffers against the effects of oscillating resource levels.