Andersen's syndrome is characterized by periodic paralysis, cardiac arrhythmias, and dysmorphic features. We have mapped an Andersen's locus to chromosome 17q23 near the inward rectifying potassium channel gene KCNJ2. A missense mutation in KCNJ2 (encoding D71V) was identified in the linked family. Eight additional mutations were identified in unrelated patients. Expression of two of these mutations in Xenopus oocytes revealed loss of function and a dominant negative effect in Kir2.1 current as assayed by voltage-clamp. We conclude that mutations in Kir2.1 cause Andersen's syndrome. These findings suggest that Kir2.1 plays an important role in developmental signaling in addition to its previously recognized function in controlling cell excitability in skeletal muscle and heart.

Exome sequencing of 2,871 probands with congenital heart disease (CHD) provides new insights into the genetic architecture of these disorders. The results implicate new genes in CHD pathogenesis and highlight striking overlap between genes with damaging de novo mutations in individuals with CHD and autism. Congenital heart disease (CHD) is the leading cause of mortality from birth defects. Here, exome sequencing of a single cohort of 2,871 CHD probands, including 2,645 parent–offspring trios, implicated rare inherited mutations in 1.8%, including a recessive founder mutation in GDF1 accounting for ∼5% of severe CHD in Ashkenazim, recessive genotypes in MYH6 accounting for ∼11% of Shone complex, and dominant FLT4 mutations accounting for 2.3% of Tetralogy of Fallot. De novo mutations (DNMs) accounted for 8% of cases, including ∼3% of isolated CHD patients and ∼28% with both neurodevelopmental and extra-cardiac congenital anomalies. Seven genes surpassed thresholds for genome-wide significance, and 12 genes not previously implicated in CHD had >70% probability of being disease related. DNMs in ∼440 genes were inferred to contribute to CHD. Striking overlap between genes with damaging DNMs in probands with CHD and autism was also found.

Andersen syndrome (AS) is a rare, inherited disorder characterized by periodic paralysis, long QT (LQT) with ventricular arrhythmias, and skeletal developmental abnormalities. We recently established that AS is caused by mutations in KCNJ2, which encodes the inward rectifier K+ channel Kir2.1. In this report, we characterized the functional consequences of three novel and seven previously described KCNJ2 mutations using a two-microelectrode voltage-clamp technique and correlated the findings with the clinical phenotype. All mutations resulted in loss of function and dominant-negative suppression of Kir2.1 channel function. In mutation carriers, the frequency of periodic paralysis was 64% and dysmorphic features 78%. LQT was the primary cardiac manifestation, present in 71% of KCNJ2 mutation carriers, with ventricular arrhythmias present in 64%. While arrhythmias were common, none of our subjects suffered sudden cardiac death. To gain insight into the mechanism of arrhythmia susceptibility, we simulated the effect of reduced Kir2.1 using a ventricular myocyte model. A reduction in Kir2.1 prolonged the terminal phase of the cardiac action potential, and in the setting of reduced extracellular K+, induced Na+/Ca2+ exchanger–dependent delayed afterdepolarizations and spontaneous arrhythmias. These findings suggest that the substrate for arrhythmia susceptibility in AS is distinct from the other forms of inherited LQT syndrome.

Abstract Multiple tools have been developed to identify copy number variants (CNVs) from whole exome (WES) and whole genome sequencing (WGS) data. Current tools such as XHMM for WES and CNVnator for WGS identify CNVs based on changes in read depth. For WGS, other methods to identify CNVs include utilizing discordant read pairs and split reads and genome-wide local assembly with tools such as Lumpy and SvABA, respectively. Here, we introduce a new method to identify deletion CNVs from WES and WGS trio data based on the clustering of Mendelian errors (MEs). Using our Mendelian Error Method (MEM), we identified 127 deletions (inherited and de novo ) in 2,601 WES trios from the Pediatric Cardiac Genomics Consortium, with a validation rate of 88% by digital droplet PCR. MEM identified additional de novo deletions compared to XHMM, and also identified sample switches, DNA contamination, a significant enrichment of 15q11.2 deletions compared to controls and eight cases of uniparental disomy. We applied MEM to WGS data from the Genome In A Bottle Ashkenazi trio and identified deletions with 97% specificity. MEM provides a robust, computationally inexpensive method for identifying deletions, and an orthogonal approach for verifying deletions called by other tools.

Kabuki Syndrome patients have a spectrum of congenital disorders, including congenital heart defects, the primary determinant of mortality. Seventy percent of Kabuki Syndrome patients have mutations in the histone methyl-transferase KMT2D. However, the underlying mechanisms that drive these congenital disorders are unknown. Here, we generated and characterized a zebrafish kmt2d null mutant that recapitulates the cardinal phenotypic features of Kabuki Syndrome, including microcephaly, palate defects, abnormal ear development and cardiac defects. The cardiovascular defects consist of abnormal aortic arches and hypoplastic ventricle, driven by previously unknown aberrant endocardial and endothelial vasculogenesis. We identify a regulatory link between the Notch pathway and Kmt2d during vasculogenesis and show that pharmacological inhibition of Notch signaling rescues the cardiovascular phenotype in zebrafish Kabuki Syndrome. Taken together these findings demonstrate that Kmt2d regulates vasculogenesis, provide evidence for interactions between Kmt2d and Notch signaling in Kabuki Syndrome, and suggest future directions for clinical research.

Many forms of congenital heart disease (CHD) have high morbidity-mortality rates and require challenging surgeries. Human amniocytes have important stem cell characteristics and could potentially provide patient-specific tissue for repairs of some types of CHDs. We report that amniocytes express features of poised cardiomyocytes. However, a variety of direct reprogramming approaches failed to convert their fetal and transcriptionally repressed state into bona fide cardiomyocytes. Induced-pluripotent stem cell (iPSC) reprogramming removes repression and converts amniocytes to a baseline pluripotent state. Based on molecular and electrophysiological signatures, iPSC reprogrammed amniocytes can be induced to differentiate into functionally immature, predominantly ventricular cardiomyocytes and a heterogeneous mixture of vascular and unspecified epithelial cells. Developmental time course analyses and pattern clustering of amniocyte-derived cardiomyocytes identifies numerous temporal co-regulators of cardiac induction and maturation as well as distinct sarcomeric and ion channel gene signatures. Normal fetal cardiomyocytes are derived by overcoming complex forms of transcriptional repression that suppress direct transdifferentiation of human amniocytes. These results suggest the possibility of using amniocytes as a source of patient-specific ventricular cardiomyocytes for cell therapies.

Background: The contribution of somatic mosaicism, or genetic mutations arising after oocyte fertilization, to congenital heart disease (CHD) is not well understood. Further, the relationship between mosaicism in blood and cardiovascular tissue has not been determined. Results: We developed a computational method, Expectation-Maximization-based detection of Mosaicism (EM-mosaic), to analyze mosaicism in exome sequences of 2530 CHD proband-parent trios. EM-mosaic detected 326 mosaic mutations in blood and/or cardiac tissue DNA. Of the 309 detected in blood DNA, 85/97 (88%) tested were independently confirmed, while 7/17 (41%) candidates of 17 detected in cardiac tissue were confirmed. MosaicHunter detected an additional 64 mosaics, of which 23/46 (50%) among 58 candidates from blood and 4/6 (67%) of 6 candidates from cardiac tissue confirmed. Twenty-five mosaic variants altered CHD-risk genes, affecting 1% of our cohort. Of these 25, 22/22 candidates tested were confirmed. Variants predicted as damaging had higher variant allele fraction than benign variants, suggesting a role in CHD. The frequency of mosaic variants above 10% mosaicism was 0.13/person in blood and 0.14/person in cardiac tissue. Analysis of 66 individuals with matched cardiac tissue available revealed both tissue-specific and shared mosaicism, with shared mosaics generally having higher allele fraction. Conclusions: We estimate that ~1% of CHD probands have a mosaic variant detectable in blood that could contribute to cardiac malformations, particularly those damaging variants expressed at higher allele fraction compared to benign variants. Although blood is a readily-available DNA source, cardiac tissues analyzed contributed ~5% of somatic mosaic variants identified, indicating the value of tissue mosaicism analyses.