Background

 We aimed for a comprehensive delineation of genetic, functional and phenotypic aspects of GRIN2B encephalopathy and explored potential prospects of personalised medicine. 

Methods

 Data of 48 individuals with de novo GRIN2B variants were collected from several diagnostic and research cohorts, as well as from 43 patients from the literature. Functional consequences and response to memantine treatment were investigated in vitro and eventually translated into patient care. 

Results

 Overall, de novo variants in 86 patients were classified as pathogenic/likely pathogenic. Patients presented with neurodevelopmental disorders and a spectrum of hypotonia, movement disorder, cortical visual impairment, cerebral volume loss and epilepsy. Six patients presented with a consistent malformation of cortical development (MCD) intermediate between tubulinopathies and polymicrogyria. Missense variants cluster in transmembrane segments and ligand-binding sites. Functional consequences of variants were diverse, revealing various potential gain-of-function and loss-of-function mechanisms and a retained sensitivity to the use-dependent blocker memantine. However, an objectifiable beneficial treatment response in the respective patients still remains to be demonstrated. 

Conclusions

 In addition to previously known features of intellectual disability, epilepsy and autism, we found evidence that GRIN2B encephalopathy is also frequently associated with movement disorder, cortical visual impairment and MCD revealing novel phenotypic consequences of channelopathies.

Abstract Objective The MAST family of microtubule-associated serine-threonine kinases (STK) have distinct expression patterns in the developing and mature human and mouse brain. To date, only MAST1 has been associated with neurological disease, with de novo variants in individuals with a neurodevelopmental disorder, including a mega corpus callosum. Methods Using exome sequencing we identify MAST3 missense variants in individuals with epilepsy. We also assess the effect of these variants on the ability of MAST3 to phosphorylate the target gene product ARPP-16 in HEK293T cells. Results We identify de novo missense variants in the STK domain in 11 individuals, including two recurrent variants p.G510S (n=5) and p.G515S (n=3). All 11 individuals had Developmental and epileptic encephalopathy, with 8 having normal development prior to seizure onset at < 2 years of age. All patients developed multiple seizures types, while 9/11 had seizures triggered by fever and 9/11 had drug-resistant seizures. In vitro analysis of HEK293T cells transfected with MAST3 cDNA carrying a subset of these patient-specific missense variants demonstrated variable but generally lower expression, with concomitant increased phosphorylation of the MAST3 target, ARPP-16, compared to wildtype. These findings suggest the patient-specific variants may confer MAST3 gain-of-function. Moreover, single-nuclei RNA sequencing and immunohistochemistry shows that MAST3 expression is restricted to excitatory neurons in the cortex late in prenatal development and postnatally. Interpretation In summary, we describe MAST3 as a novel epilepsy-associated gene with a potential gain-of-function pathogenic mechanism that may be primarily restricted to excitatory neurons in the cortex.

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.