We report the diagnostic yield of whole-exome sequencing (WES) in 3,040 consecutive cases at a single clinical laboratory.WES was performed for many different clinical indications and included the proband plus two or more family members in 76% of cases.The overall diagnostic yield of WES was 28.8%. The diagnostic yield was 23.6% in proband-only cases and 31.0% when three family members were analyzed. The highest yield was for patients who had disorders involving hearing (55%, N = 11), vision (47%, N = 60), the skeletal muscle system (40%, N = 43), the skeletal system (39%, N = 54), multiple congenital anomalies (36%, N = 729), skin (32%, N = 31), the central nervous system (31%, N = 1,082), and the cardiovascular system (28%, N = 54). Of 2,091 cases in which secondary findings were analyzed for 56 American College of Medical Genetics and Genomics-recommended genes, 6.2% (N = 129) had reportable pathogenic variants. In addition to cases with a definitive diagnosis, in 24.2% of cases a candidate gene was reported that may later be reclassified as being associated with a definitive diagnosis.Our experience with our first 3,040 WES cases suggests that analysis of trios significantly improves the diagnostic yield compared with proband-only testing for genetically heterogeneous disorders and facilitates identification of novel candidate genes.Genet Med 18 7, 696-704.

Developmental and/or epileptic encephalopathies (DEEs) are a group of devastating genetic disorders, resulting in early onset, therapy resistant seizures and developmental delay. Here we report on 12 individuals from 10 families presenting with a severe form of intractable epilepsy, severe developmental delay, progressive microcephaly and visual disturbance. Whole exome sequencing identified a recurrent, homozygous variant (chr2:64083454A>G) in the essential UDP-glucose pyrophosphorylase (UGP2) gene in all probands. This rare variant results in a tolerable Met12Val missense change of the longer UGP2 protein isoform but causes a disruption of the start codon of the shorter isoform. We show that the absence of the shorter isoform leads to a reduction of functional UGP2 enzyme in brain cell types, leading to altered glycogen metabolism, upregulated unfolded protein response and premature neuronal differentiation, as modelled during pluripotent stem cell differentiation in vitro. In contrast, the complete lack of all UGP2 isoforms leads to differentiation defects in multiple lineages in human cells. Reduced expression of Ugp2a/Ugp2b in vivo in zebrafish mimics visual disturbance and mutant animals show a behavioral phenotype. Our study identifies a recurrent start codon mutation in UGP2 as a cause of a novel autosomal recessive DEE. Importantly, it also shows that isoform specific start-loss mutations causing expression loss of a tissue relevant isoform of an essential protein can cause a genetic disease, even when an organism-wide protein absence is incompatible with life. We provide additional examples where a similar disease mechanism applies.

ABSTRACT Pathogenic variants in SETD1B have been associated with a syndromic neurodevelopmental disorder including intellectual disability, language delay and seizures. To date, clinical features have been described for eleven patients with (likely) pathogenic SETD1B sequence variants. We perform an in-depth clinical characterization of a cohort of 36 unpublished individuals with SETD1B sequence variants, describing their molecular and phenotypic spectrum. Selected variants were functionally tested using in vitro and genome-wide methylation assays. Our data present evidence for a loss-of-function mechanism of SETD1B variants, resulting in a core clinical phenotype of global developmental delay, language delay including regression, intellectual disability, autism and other behavioral issues, and variable epilepsy phenotypes. Developmental delay appeared to precede seizure onset, suggesting SETD1B dysfunction impacts physiological neurodevelopment even in the absence of epileptic activity. Interestingly, males are significantly overrepresented and more severely affected, and we speculate that sex-linked traits could affect susceptibility to penetrance and the clinical spectrum of SETD1B variants. Finally, despite the possibility of non-redundant contributions of SETD1B and its paralogue SETD1A to epigenetic control, the clinical phenotypes of the related disorders share many similarities, indicating that elucidating shared and divergent downstream targets of both genes will help to understand the mechanism leading to the neurobehavioral phenotypes. Insights from this extensive cohort will facilitate the counseling regarding the molecular and phenotypic landscape of newly diagnosed patients with the SETD1B -related syndrome.

Epigenetic dysregulation has emerged as an important etiological mechanism of neurodevelopmental disorders (NDDs). Pathogenic variation in epigenetic regulators can impair deposition of histone post-translational modifications leading to aberrant spatiotemporal gene expression during neurodevelopment. The male-specific lethal (MSL) complex is a prominent multi-subunit epigenetic regulator of gene expression and is responsible for histone 4 lysine 16 acetylation (H4K16ac). Using exome sequencing, here we identify a cohort of 25 individuals with heterozygous de novo variants in MSL complex member MSL2. MSL2 variants were associated with NDD phenotypes including global developmental delay, intellectual disability, hypotonia, and motor issues such as coordination problems, feeding difficulties, and gait disturbance. Dysmorphisms and behavioral and/or psychiatric conditions, including autism spectrum disorder, and to a lesser extent, seizures, connective tissue disease signs, sleep disturbance, vision problems, and other organ anomalies, were observed in affected individuals. As a molecular biomarker, a sensitive and specific DNA methylation episignature has been established. Induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived from three members of our cohort exhibited reduced MSL2 levels. Remarkably, while NDD-associated variants in two other members of the MSL complex (MOF and MSL3) result in reduced H4K16ac, global H4K16ac levels are unchanged in iPSCs with MSL2 variants. Regardless, MSL2 variants altered the expression of MSL2 targets in iPSCs and upon their differentiation to early germ layers. Our study defines an MSL2-related disorder as an NDD with distinguishable clinical features, a specific blood DNA episignature, and a distinct, MSL2-specific molecular etiology compared to other MSL complex-related disorders.