Neurodevelopmental disorders (NDDs) affect more than 3% of children and are attributable to single-gene mutations at more than 1000 loci. Traditional methods yield molecular diagnoses in less than one-half of children with NDD. Whole-genome sequencing (WGS) and whole-exome sequencing (WES) can enable diagnosis of NDD, but their clinical and cost-effectiveness are unknown. One hundred families with 119 children affected by NDD received diagnostic WGS and/or WES of parent-child trios, wherein the sequencing approach was guided by acuity of illness. Forty-five percent received molecular diagnoses. An accelerated sequencing modality, rapid WGS, yielded diagnoses in 73% of families with acutely ill children (11 of 15). Forty percent of families with children with nonacute NDD, followed in ambulatory care clinics (34 of 85), received diagnoses: 33 by WES and 1 by staged WES then WGS. The cost of prior negative tests in the nonacute patients was $19,100 per family, suggesting sequencing to be cost-effective at up to $7640 per family. A change in clinical care or impression of the pathophysiology was reported in 49% of newly diagnosed families. If WES or WGS had been performed at symptom onset, genomic diagnoses may have been made 77 months earlier than occurred in this study. It is suggested that initial diagnostic evaluation of children with NDD should include trio WGS or WES, with extension of accelerated sequencing modalities to high-acuity patients.

Abstract Whereas large-scale statistical analyses can robustly identify disease-gene relationships, they do not accurately capture genotype-phenotype correlations or disease mechanisms. We use multiple lines of independent evidence to show that different variant types in a single gene, SATB1 , cause clinically overlapping but distinct neurodevelopmental disorders. Clinical evaluation of 42 individuals carrying SATB1 variants identified overt genotype-phenotype relationships, associated with different pathophysiological mechanisms, established by functional assays. Missense variants in the CUT1 and CUT2 DNA-binding domains result in stronger chromatin binding, increased transcriptional repression and a severe phenotype. Contrastingly, variants predicted to result in haploinsufficiency are associated with a milder clinical presentation. A similarly mild phenotype is observed for individuals with premature protein truncating variants that escape nonsense-mediated decay and encode truncated proteins, which are transcriptionally active but mislocalized in the cell. Our results suggest that in-depth mutation-specific genotype-phenotype studies are essential to capture full disease complexity and to explain phenotypic variability.