Genomic technologies such as next-generation sequencing (NGS) are revolutionizing molecular diagnostics and clinical medicine. However, these approaches have proven inefficient at identifying pathogenic repeat expansions. Here, we apply a collection of bioinformatics tools that can be utilized to identify either known or novel expanded repeat sequences in NGS data. We performed genetic studies of a cohort of 35 individuals from 22 families with a clinical diagnosis of cerebellar ataxia with neuropathy and bilateral vestibular areflexia syndrome (CANVAS). Analysis of whole-genome sequence (WGS) data with five independent algorithms identified a recessively inherited intronic repeat expansion [(AAGGG)exp] in the gene encoding Replication Factor C1 (RFC1). This motif, not reported in the reference sequence, localized to an Alu element and replaced the reference (AAAAG)11 short tandem repeat. Genetic analyses confirmed the pathogenic expansion in 18 of 22 CANVAS-affected families and identified a core ancestral haplotype, estimated to have arisen in Europe more than twenty-five thousand years ago. WGS of the four RFC1-negative CANVAS-affected families identified plausible variants in three, with genomic re-diagnosis of SCA3, spastic ataxia of the Charlevoix-Saguenay type, and SCA45. This study identified the genetic basis of CANVAS and demonstrated that these improved bioinformatics tools increase the diagnostic utility of WGS to determine the genetic basis of a heterogeneous group of clinically overlapping neurogenetic disorders.

Purpose: To assess the contribution of rare variants in the genetic background towards variability of neurodevelopmental phenotypes in individuals with rare copy-number variants (CNVs) and gene-disruptive mutations. Methods: We analyzed quantitative clinical information, exome-sequencing, and microarray data from 757 probands and 233 parents and siblings who carry disease-associated mutations. Results: The number of rare secondary mutations in functionally intolerant genes (second-hits) correlated with the expressivity of neurodevelopmental phenotypes in probands with 16p12.1 deletion (n=23, p=0.004) and in probands with autism carrying gene-disruptive mutations (n=184, p=0.03) compared to their carrier family members. Probands with 16p12.1 deletion and a strong family history presented more severe clinical features (p=0.04) and higher burden of second-hits compared to those with mild/no family history (p=0.001). The number of secondary variants also correlated with the severity of cognitive impairment in probands carrying pathogenic rare CNVs (n=53) or de novo mutations in disease genes (n=290), and negatively correlated with head size among 80 probands with 16p11.2 deletion. These second-hits involved known disease-associated genes such as SETD5, AUTS2, and NRXN1, and were enriched for genes affecting cellular and developmental processes. Conclusion: Accurate genetic diagnosis of complex disorders will require complete evaluation of the genetic background even after a candidate gene mutation is identified.

Genomic technologies such as Next Generation Sequencing (NGS) are revolutionizing molecular diagnostics and clinical medicine. However, these approaches have proven inefficient at identifying pathogenic repeat expansions. Here, we apply a collection of bioinformatics tools that can be utilized to identify either known or novel expanded repeat sequences in NGS data. We performed genetic studies of a cohort of 35 individuals from 22 families with a clinical diagnosis of cerebellar ataxia with neuropathy and bilateral vestibular areflexia syndrome (CANVAS). Analysis of whole genome sequence (WGS) data with five independent algorithms identified a recessively inherited intronic repeat expansion [(AAGGG)exp] in the gene encoding Replication Factor C1 ( RFC1 ). This motif, not reported in the reference sequence, localized to an Alu element and replaced the reference (AAAAG)[11][1] short tandem repeat. Genetic analyses confirmed the pathogenic expansion in 18 of 22 CANVAS families and identified a core ancestral haplotype, estimated to have arisen in Europe over twenty-five thousand years ago. WGS of the four RFC1 negative CANVAS families identified plausible variants in three, with genomic re-diagnosis of SCA3, spastic ataxia of the Charlevoix-Saguenay type and SCA45. This study identified the genetic basis of CANVAS and demonstrated that these improved bioinformatics tools increase the diagnostic utility of WGS to determine the genetic basis of a heterogeneous group of clinically overlapping neurogenetic disorders. [1]: #ref-11