Sequencing-based studies have identified novel risk genes for rare, severe epilepsies and revealed a role of rare deleterious variation in common epilepsies. To identify the shared and distinct ultra-rare genetic risk factors for rare and common epilepsies, we performed a whole-exome sequencing (WES) analysis of 9,170 epilepsy-affected individuals and 8,364 controls of European ancestry. We focused on three phenotypic groups; the rare but severe developmental and epileptic encephalopathies (DEE), and the commoner phenotypes of genetic generalized epilepsy (GGE) and non-acquired focal epilepsy (NAFE). We observed that compared to controls, individuals with any type of epilepsy carried an excess of ultra-rare, deleterious variants in constrained genes and in genes previously associated with epilepsy, with the strongest enrichment seen in DEE and the least in NAFE. Moreover, we found that inhibitory GABAA receptor genes were enriched for missense variants across all three classes of epilepsy, while no enrichment was seen in excitatory receptor genes. The larger gene groups for the GABAergic pathway or cation channels also showed a significant mutational burden in DEE and GGE. Although no single gene surpassed exome-wide significance among individuals with GGE or NAFE, highly constrained genes and genes encoding ion channels were among the top associations, including CACNA1G, EEF1A2, and GABRG2 for GGE and LGI1, TRIM3, and GABRG2 for NAFE. Our study confirms a convergence in the genetics of common and rare epilepsies associated with ultra-rare coding variation and highlights a ubiquitous role for GABAergic inhibition in epilepsy etiology in the largest epilepsy WES study to date.

Purpose: We aimed to gain insight into frequencies of genetic variants in genes implicated in neurodevelopmental disorder with epilepsy (NDD+E) by investigating large cohorts of patients in a diagnostic setting. Methods: We analyzed variants in NDD+E using epilepsy gene panel sequencing performed between 2013 and 2017 by two large diagnostic companies. We compared variant frequencies in 6,994 panels to other 8,588 recently published panels as well as exome-wide de novo variants in 1,942 individuals with NDD+E and 10,937 controls. Results: Genes with highest frequencies of ultra-rare variants in NDD+E comprised SCN1A, KCNQ2, SCN2A, CDKL5, SCN8A and STXBP1, concordant with the two other epilepsy cohorts we investigated. Only 46% of the analysed 262 dominant and X-linked panel genes contained ultra-rare variants in patients. Among genes with contradictory evidence of association with epilepsy CACNB4, CLCN2, EFHC1, GABRD, MAGI2 and SRPX2 showed equal frequencies in cases and controls. Conclusion: We show that improvement of panel design increased diagnostic yield over time, but panels still display genes with low or no diagnostic yield. With our data, we hope to improve current diagnostic NDD+E panel design and provide a resource of ultrarare variants in individuals with NDD+E to the community.

We delineate a KMT2E gene-related neurodevelopmental disorder based on 38 individuals in 36 families. This includes 31 distinct heterozygous variants in the KMT2E gene (28 ascertained from Matchmaker Exchange and 3 previously reported), and 4 individuals with chromosome 7q22.2-22.23 microdeletions encompassing the KMT2E gene (1 previously reported). Almost all variants occurred de novo, and most were truncating. Most affected individuals with protein-truncating variants presented with mild intellectual disability. One-quarter of individuals met criteria for autism. Additional common features include macrocephaly, hypotonia, functional gastrointestinal abnormalities, and a subtle facial gestalt. Epilepsy was present in about one-fifth of individuals with truncating variants, and was responsive to treatment with anti-epileptic medications in almost all. Over 70% of the individuals were male and expressivity was variable by sex, with epilepsy more common in females and autism more common in males. The four individuals with microdeletions encompassing KMT2E generally presented similarly to those with truncating variants, but the degree of developmental delay was greater. The group of four individuals with missense variants in KMT2E presented with the most severe developmental delays. Epilepsy was present in all individuals with missense variants, often manifesting as treatment-resistant infantile epileptic encephalopathy. Microcephaly was also common in this group. Haploinsufficiency versus gain-of-function or dominant negative effects specific to these missense variants in KMT2E may explain this divergence in phenotype, but requires independent validation. Disruptive variants in KMT2E are an under-recognized cause of neurodevelopmental abnormalities.