The advent of massive parallel sequencing is rapidly changing the strategies employed for the genetic diagnosis and research of rare diseases that involve a large number of genes. So far it is not clear whether these approaches perform significantly better than conventional single gene testing as requested by clinicians. The current yield of this traditional diagnostic approach depends on a complex of factors that include gene-specific phenotype traits, and the relative frequency of the involvement of specific genes. To gauge the impact of the paradigm shift that is occurring in molecular diagnostics, we assessed traditional Sanger-based sequencing (in 2011) and exome sequencing followed by targeted bioinformatics analysis (in 2012) for five different conditions that are highly heterogeneous, and for which our center provides molecular diagnosis. We find that exome sequencing has a much higher diagnostic yield than Sanger sequencing for deafness, blindness, mitochondrial disease, and movement disorders. For microsatellite-stable colorectal cancer, this was low under both strategies. Even if all genes that could have been ordered by physicians had been tested, the larger number of genes captured by the exome would still have led to a clearly superior diagnostic yield at a fraction of the cost.

Androgen insensitivity syndrome (AIS) is a difference of sex development (DSD) characterized by different degrees of undervirilization in individuals with a 46,XY karyotype despite normal to high gonadal testosterone production. Classically, AIS is explained by hemizygous mutations in the X-chromosomal androgen receptor (AR) gene. Nevertheless, the majority of individuals with clinically diagnosed AIS do not carry an AR gene mutation. Here, we present a patient with a 46,XY karyotype, born with undervirilized genitalia, age-appropriate testosterone levels and no uterus, characteristic for AIS. Diagnostic whole exome sequencing (WES) showed a maternally inherited LINE1 (L1) retrotransposon insertion in the 5' untranslated region (5'UTR) of the AR gene. Long-read nanopore sequencing confirmed this as an insertion of a truncated L1 element of ≈ 2.7 kb and showed an increased DNA methylation at the L1 insertion site in patient-derived genital skin fibroblasts (GSFs) compared to healthy controls. The insertion coincided with reduced AR transcript and protein levels in patient-derived GSFs confirming the clinical diagnosis AIS. Our results underline the relevance of retrotransposons in human disease, and expand the growing list of human diseases associated with them.

Abstract CSMD1 ( Cub and Sushi Multiple Domains 1 ) is a well-recognized regulator of the complement cascade, an important component of the innate immune response. CSMD1 is highly expressed in the central nervous system (CNS) where emergent functions of the complement pathway modulate neural development and synaptic activity. While a genetic risk factor for neuropsychiatric disorders, the role of CSMD1 in neurodevelopmental disorders is unclear. Through international variant sharing, we identified inherited biallelic CSMD1 variants in eight individuals from six families of diverse ancestry who present with global developmental delay, intellectual disability, microcephaly, and polymicrogyria. We modeled CSMD1 loss-of-function (LOF) pathogenesis in early-stage forebrain organoids differentiated from CSMD1 knockout human embryonic stem cells (hESCs). We show that CSMD1 is necessary for neuroepithelial cytoarchitecture and synchronous differentiation. In summary, we identified a critical role for CSMD1 in brain development and biallelic CSMD1 variants as the molecular basis of a previously undefined neurodevelopmental disorder.

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.

Pathogenic variants in KCNB1 , encoding the voltage-gated potassium channel KV2.1, are associated with developmental and epileptic encephalopathies (DEE). Previous functional studies on a limited number of KCNB1 variants indicated a range of molecular mechanisms by which variants affect channel function, including loss of voltage sensitivity, loss of ion selectivity, and reduced cell-surface expression. We evaluated a series of 17 KCNB1 variants associated with DEE or neurodevelopmental disorder (NDD) to rapidly ascertain channel dysfunction using high-throughput functional assays. Specifically, we investigated the biophysical properties and cell-surface expression of variant KV2.1 channels expressed in heterologous cells using high-throughput automated electrophysiology and immunocytochemistry-flow cytometry. Pathogenic variants exhibited diverse functional defects, including altered current density and shifts in the voltage-dependence of activation and/or inactivation, as homotetramers or when co-expressed with wild-type KV2.1. Quantification of protein expression also identified variants with reduced total KV2.1 expression or deficient cell-surface expression. Our study establishes a platform for rapid screening of functional defects of KCNB1 variants associated with DEE and other NDDs, which will aid in establishing KCNB1 variant pathogenicity and may enable discovery of targeted strategies for therapeutic intervention based on molecular phenotype.

Defects in histone methyltransferases (HMTs) are major contributing factors in neurodevelopmental disorders (NDDs). Heterozygous variants of SETD1A involved in histone H3 lysine 4 (H3K4) methylation were previously identified in individuals with schizophrenia. Here, we define the clinical features of the Mendelian syndrome associated with haploinsufficiency of SETD1A by investigating 15 predominantly pediatric individuals who all have de novo SETD1A variants. These individuals present with a core set of symptoms comprising global developmental delay and/or intellectual disability, subtle facial dysmorphisms, behavioral and psychiatric problems. We examined cellular phenotypes in three patient derived lymphoblastoid cell lines with three variants: p.Gly535Alafs*12, c.4582-2_4582delAG, and p.Tyr1499Asp. These patient cell lines displayed DNA damage repair defects that were comparable to previously observed RNAi-mediated depletion of SETD1A . This suggested that these variants, including the p.Tyr1499Asp in the catalytic SET domain, behave as Loss-of-Function (LoF) alleles. Previous studies demonstrated a role for SETD1A in cell cycle control and differentiation. However, individuals with SETD1A variants do not show major structural brain defects or severe microcephaly, suggesting that defective proliferation and differentiation of neural progenitors is unlikely the single underlying cause of the disorder. We show here that the Drosophila Melanogaster SETD1A orthologue is required in postmitotic neurons of the fly brain for normal memory, suggesting a role in post development neuronal function. Together, this study defines a neurodevelopmental disorder caused by dominant de novo LoF variants in SETD1A and further supports a role for H3K4 methyltransferases in the regulation of neuronal processes underlying normal cognitive functioning.

ABSTRACT High-impact pathogenic variants in more than 1,000 protein-coding genes cause Mendelian forms of neurodevelopmental disorders (NDD), including the newly reported AGO2 gene. This study describes the molecular and clinical characterization of 28 probands with NDD harboring heterozygous AGO1 coding variants. De novo status was always confirmed when parents were available (26/28). A total of 15 unique variants leading to amino acid changes or deletions were identified: 12 missense variants, two in-frame deletions of one codon, and one canonical splice variant leading to a deletion of two amino acid residues. Some variants were recurrently identified in several unrelated individuals: p.(Phe180del), p.(Leu190Pro), p.(Leu190Arg), p.(Gly199Ser), p.(Val254Ile) and p.(Glu376del). AGO1 encodes the Argonaute 1 protein, which functions in gene-silencing pathways mediated by small non-coding RNAs. Three-dimensional protein structure predictions suggest that these variants might alter the flexibility of the AGO1 linkers domains, which likely would impair its function in mRNA processing. Affected individuals present with intellectual disability of varying severity, as well as speech and motor delay, autistic behavior and additional behavioral manifestations. Our study establishes that de novo coding variants in AGO1 are involved in a novel monogenic form of NDD, highly similar to AGO2 phenotype.