Structural variation (copy number variation [CNV] including deletion and duplication, translocation, inversion) of chromosomes has been identified in some individuals with autism spectrum disorder (ASD), but the full etiologic role is unknown. We performed genome-wide assessment for structural abnormalities in 427 unrelated ASD cases via single-nucleotide polymorphism microarrays and karyotyping. With microarrays, we discovered 277 unbalanced CNVs in 44% of ASD families not present in 500 controls (and re-examined in another 1152 controls). Karyotyping detected additional balanced changes. Although most variants were inherited, we found a total of 27 cases with de novo alterations, and in three (11%) of these individuals, two or more new variants were observed. De novo CNVs were found in ∼7% and ∼2% of idiopathic families having one child, or two or more ASD siblings, respectively. We also detected 13 loci with recurrent/overlapping CNV in unrelated cases, and at these sites, deletions and duplications affecting the same gene(s) in different individuals and sometimes in asymptomatic carriers were also found. Notwithstanding complexities, our results further implicate the SHANK3-NLGN4-NRXN1 postsynaptic density genes and also identify novel loci at DPP6-DPP10-PCDH9 (synapse complex), ANKRD11, DPYD, PTCHD1, 15q24, among others, for a role in ASD susceptibility. Our most compelling result discovered CNV at 16p11.2 (p = 0.002) (with characteristics of a genomic disorder) at ∼1% frequency. Some of the ASD regions were also common to mental retardation loci. Structural variants were found in sufficiently high frequency influencing ASD to suggest that cytogenetic and microarray analyses be considered in routine clinical workup. Structural variation (copy number variation [CNV] including deletion and duplication, translocation, inversion) of chromosomes has been identified in some individuals with autism spectrum disorder (ASD), but the full etiologic role is unknown. We performed genome-wide assessment for structural abnormalities in 427 unrelated ASD cases via single-nucleotide polymorphism microarrays and karyotyping. With microarrays, we discovered 277 unbalanced CNVs in 44% of ASD families not present in 500 controls (and re-examined in another 1152 controls). Karyotyping detected additional balanced changes. Although most variants were inherited, we found a total of 27 cases with de novo alterations, and in three (11%) of these individuals, two or more new variants were observed. De novo CNVs were found in ∼7% and ∼2% of idiopathic families having one child, or two or more ASD siblings, respectively. We also detected 13 loci with recurrent/overlapping CNV in unrelated cases, and at these sites, deletions and duplications affecting the same gene(s) in different individuals and sometimes in asymptomatic carriers were also found. Notwithstanding complexities, our results further implicate the SHANK3-NLGN4-NRXN1 postsynaptic density genes and also identify novel loci at DPP6-DPP10-PCDH9 (synapse complex), ANKRD11, DPYD, PTCHD1, 15q24, among others, for a role in ASD susceptibility. Our most compelling result discovered CNV at 16p11.2 (p = 0.002) (with characteristics of a genomic disorder) at ∼1% frequency. Some of the ASD regions were also common to mental retardation loci. Structural variants were found in sufficiently high frequency influencing ASD to suggest that cytogenetic and microarray analyses be considered in routine clinical workup.

DNA methylation, an important type of epigenetic modification in humans, participates in crucial cellular processes, such as embryonic development, X-inactivation, genomic imprinting and chromosome stability. Several platforms have been developed to study genome-wide DNA methylation. Many investigators in the field have chosen the Illumina Infinium HumanMethylation microarray for its ability to reliably assess DNA methylation following sodium bisulfite conversion. Here, we analyzed methylation profiles of 489 adult males and 357 adult females generated by the Infinium HumanMethylation450 microarray. Among the autosomal CpG sites that displayed significant methylation differences between the two sexes, we observed a significant enrichment of cross-reactive probes co-hybridizing to the sex chromosomes with more than 94% sequence identity. This could lead investigators to mistakenly infer the existence of significant autosomal sex-associated methylation. Using sequence identity cutoffs derived from the sex methylation analysis, we concluded that 6% of the array probes can potentially generate spurious signals because of co-hybridization to alternate genomic sequences highly homologous to the intended targets. Additionally, we discovered probes targeting polymorphic CpGs that overlapped SNPs. The methylation levels detected by these probes are simply the reflection of underlying genetic polymorphisms but could be misinterpreted as true signals. The existence of probes that are cross-reactive or of target polymorphic CpGs in the Illumina HumanMethylation microarrays can confound data obtained from such microarrays. Therefore, investigators should exercise caution when significant biological associations are found using these array platforms. A list of all cross-reactive probes and polymorphic CpGs identified by us are annotated in this paper.

Yuen et al. developed a cloud-based database with 5,205 whole genomes from families with autism spectrum disorder (ASD). They identified 18 new candidate ASD-risk genes and approximately 100 risk genes and copy-number loci, which account for 11% of the cases. They also found that individuals bearing mutations in ASD-risk genes had lower adaptive ability. We are performing whole-genome sequencing of families with autism spectrum disorder (ASD) to build a resource (MSSNG) for subcategorizing the phenotypes and underlying genetic factors involved. Here we report sequencing of 5,205 samples from families with ASD, accompanied by clinical information, creating a database accessible on a cloud platform and through a controlled-access internet portal. We found an average of 73.8 de novo single nucleotide variants and 12.6 de novo insertions and deletions or copy number variations per ASD subject. We identified 18 new candidate ASD-risk genes and found that participants bearing mutations in susceptibility genes had significantly lower adaptive ability (P = 6 × 10−4). In 294 of 2,620 (11.2%) of ASD cases, a molecular basis could be determined and 7.2% of these carried copy number variations and/or chromosomal abnormalities, emphasizing the importance of detecting all forms of genetic variation as diagnostic and therapeutic targets in ASD.

William Dobyns and colleagues report de novo germline and postzygotic mutations in AKT3, PIK3R2 and PIK3CA in the sporadic overgrowth syndromes megalencephaly-polymicrogyria-polydactyly-hydrocephalus (MPPH) and megalencephaly-capillary malformation (MCAP). Megalencephaly-capillary malformation (MCAP) and megalencephaly-polymicrogyria-polydactyly-hydrocephalus (MPPH) syndromes are sporadic overgrowth disorders associated with markedly enlarged brain size and other recognizable features1,2,3,4,5. We performed exome sequencing in 3 families with MCAP or MPPH, and our initial observations were confirmed in exomes from 7 individuals with MCAP and 174 control individuals, as well as in 40 additional subjects with megalencephaly, using a combination of Sanger sequencing, restriction enzyme assays and targeted deep sequencing. We identified de novo germline or postzygotic mutations in three core components of the phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)-AKT pathway. These include 2 mutations in AKT3, 1 recurrent mutation in PIK3R2 in 11 unrelated families with MPPH and 15 mostly postzygotic mutations in PIK3CA in 23 individuals with MCAP and 1 with MPPH. Our data highlight the central role of PI3K-AKT signaling in vascular, limb and brain development and emphasize the power of massively parallel sequencing in a challenging context of phenotypic and genetic heterogeneity combined with postzygotic mosaicism.

PurposeGenetic testing is an integral diagnostic component of pediatric medicine. Standard of care is often a time-consuming stepwise approach involving chromosomal microarray analysis and targeted gene sequencing panels, which can be costly and inconclusive. Whole-genome sequencing (WGS) provides a comprehensive testing platform that has the potential to streamline genetic assessments, but there are limited comparative data to guide its clinical use.MethodsWe prospectively recruited 103 patients from pediatric non-genetic subspecialty clinics, each with a clinical phenotype suggestive of an underlying genetic disorder, and compared the diagnostic yield and coverage of WGS with those of conventional genetic testing.ResultsWGS identified diagnostic variants in 41% of individuals, representing a significant increase over conventional testing results (24%; P=0.01). Genes clinically sequenced in the cohort (n=1,226) were well covered by WGS, with a median exonic coverage of 40 × ±8 × (mean ±SD). All the molecular diagnoses made by conventional methods were captured by WGS. The 18 new diagnoses made with WGS included structural and non-exonic sequence variants not detectable with whole-exome sequencing, and confirmed recent disease associations with the genes PIGG, RNU4ATAC, TRIO, and UNC13A.ConclusionWGS as a primary clinical test provided a higher diagnostic yield than conventional genetic testing in a clinically heterogeneous cohort.

22q11 Deletion Syndrome (22q11DS) is a common microdeletion syndrome with multisystem expression. Phenotypic features vary with age, ascertainment, and assessment. We systematically assessed 78 adults (36 M, 42 F; mean age 31.5, SD 10.5 years) with a 22q11.2 deletion ascertained through an adult congenital cardiac clinic (n = 35), psychiatric-related sources (n = 39), or as affected parents of subjects (n = 4). We recorded the lifetime prevalence of features requiring attention, with 95% confidence intervals (CI) not overlapping zero. Subtle learning difficulties, hypernasality and facial gestalt were not included. We investigated ascertainment effects using non-overlapping subgroups ascertained with tetralogy of Fallot (n = 31) or schizophrenia (n = 31). Forty-three features met inclusion criteria and were present in 5% or more patients, including several of later onset (e.g., hypothyroidism, cholelithiasis). Number of features per patient (median 9, range 3-22) correlated with hospitalizations (P = 0.0002) and, when congenital features were excluded, with age (P = 0.02). Adjusting for ascertainment, 25.8% (95% CI, 9.5-42.1%) of patients had cardiac anomalies and 22.6% (95% CI, 7.0-38.2%) had schizophrenia. Ascertainment subgroups were otherwise similar in median number and prevalence of features. Non-characteristic features are common in 22q11DS. Adjusting for ascertainment effects is important. Many treatable conditions may be anticipated and features may accumulate over time. The results have implications for clinical assessment and management, genetic counseling and research into pathophysiological mechanisms.

Loss of imprinting at IGF2 , generally through an H19 -independent mechanism, is associated with a large percentage of patients with the overgrowth and cancer predisposition condition Beckwith–Wiedemann syndrome (BWS). Imprinting control elements are proposed to exist within the KvLQT1 locus, because multiple BWS-associated chromosome rearrangements disrupt this gene. We have identified an evolutionarily conserved, maternally methylated CpG island ( KvDMR1 ) in an intron of the KvLQT1 gene. Among 12 cases of BWS with normal H19 methylation, 5 showed demethylation of KvDMR1 in fibroblast or lymphocyte DNA; whereas, in 4 cases of BWS with H19 hypermethylation, methylation at KvDMRl was normal. Thus, inactivation of H19 and hypomethylation at KvDMR1 (or an associated phenomenon) represent distinct epigenetic anomalies associated with biallelic expression of IGF2 . Reverse transcription–PCR analysis of the human and syntenic mouse loci identified the presence of a KvDMR1 -associated RNA transcribed exclusively from the paternal allele and in the opposite orientation with respect to the maternally expressed KvLQT1 gene. We propose that KvDMR1 and/or its associated antisense RNA ( KvLQT1-AS ) represents an additional imprinting control element or center in the human 11p15.5 and mouse distal 7 imprinted domains.

The use of genome-wide tests to provide molecular diagnosis for individuals with autism spectrum disorder (ASD) requires more study.To perform chromosomal microarray analysis (CMA) and whole-exome sequencing (WES) in a heterogeneous group of children with ASD to determine the molecular diagnostic yield of these tests in a sample typical of a developmental pediatric clinic.The sample consisted of 258 consecutively ascertained unrelated children with ASD who underwent detailed assessments to define morphology scores based on the presence of major congenital abnormalities and minor physical anomalies. The children were recruited between 2008 and 2013 in Newfoundland and Labrador, Canada. The probands were stratified into 3 groups of increasing morphological severity: essential, equivocal, and complex (scores of 0-3, 4-5, and ≥6).All probands underwent CMA, with WES performed for 95 proband-parent trios.The overall molecular diagnostic yield for CMA and WES in a population-based ASD sample stratified in 3 phenotypic groups.Of 258 probands, 24 (9.3%, 95%CI, 6.1%-13.5%) received a molecular diagnosis from CMA and 8 of 95 (8.4%, 95%CI, 3.7%-15.9%) from WES. The yields were statistically different between the morphological groups. Among the children who underwent both CMA and WES testing, the estimated proportion with an identifiable genetic etiology was 15.8% (95%CI, 9.1%-24.7%; 15/95 children). This included 2 children who received molecular diagnoses from both tests. The combined yield was significantly higher in the complex group when compared with the essential group (pairwise comparison, P = .002). [table: see text].Among a heterogeneous sample of children with ASD, the molecular diagnostic yields of CMA and WES were comparable, and the combined molecular diagnostic yield was higher in children with more complex morphological phenotypes in comparison with the children in the essential category. If replicated in additional populations, these findings may inform appropriate selection of molecular diagnostic testing for children affected by ASD.

Abstract The standard of care for first-tier clinical investigation of the aetiology of congenital malformations and neurodevelopmental disorders is chromosome microarray analysis (CMA) for copy-number variations (CNVs), often followed by gene(s)-specific sequencing searching for smaller insertion–deletions (indels) and single-nucleotide variant (SNV) mutations. Whole-genome sequencing (WGS) has the potential to capture all classes of genetic variation in one experiment; however, the diagnostic yield for mutation detection of WGS compared to CMA, and other tests, needs to be established. In a prospective study we utilised WGS and comprehensive medical annotation to assess 100 patients referred to a paediatric genetics service and compared the diagnostic yield versus standard genetic testing. WGS identified genetic variants meeting clinical diagnostic criteria in 34% of cases, representing a fourfold increase in diagnostic rate over CMA (8% ; P value=1.42E−05) alone and more than twofold increase in CMA plus targeted gene sequencing (13%; P value=0.0009). WGS identified all rare clinically significant CNVs that were detected by CMA. In 26 patients, WGS revealed indel and missense mutations presenting in a dominant (63%) or a recessive (37%) manner. We found four subjects with mutations in at least two genes associated with distinct genetic disorders, including two cases harbouring a pathogenic CNV and SNV. When considering medically actionable secondary findings in addition to primary WGS findings, 38% of patients would benefit from genetic counselling. Clinical implementation of WGS as a primary test will provide a higher diagnostic yield than conventional genetic testing and potentially reduce the time required to reach a genetic diagnosis.