Most patients with rare diseases do not receive a molecular diagnosis and the aetiological variants and causative genes for more than half such disorders remain to be discovered1. Here we used whole-genome sequencing (WGS) in a national health system to streamline diagnosis and to discover unknown aetiological variants in the coding and non-coding regions of the genome. We generated WGS data for 13,037 participants, of whom 9,802 had a rare disease, and provided a genetic diagnosis to 1,138 of the 7,065 extensively phenotyped participants. We identified 95 Mendelian associations between genes and rare diseases, of which 11 have been discovered since 2015 and at least 79 are confirmed to be aetiological. By generating WGS data of UK Biobank participants2, we found that rare alleles can explain the presence of some individuals in the tails of a quantitative trait for red blood cells. Finally, we identified four novel non-coding variants that cause disease through the disruption of transcription of ARPC1B, GATA1, LRBA and MPL. Our study demonstrates a synergy by using WGS for diagnosis and aetiological discovery in routine healthcare. Whole-genome sequencing and phenotype data sharing are introduced in a national health system to streamline diagnosis and to discover coding and non-coding variants that cause rare diseases.

Cornelis Albers, Cedric Ghevaert and colleagues report that a majority of thrombocytopenia with absent radii (TAR) syndrome cases are caused by compound heterzygosity of a null allele and a low-frequency SNP in the regulatory regions of the RBM8A gene, which encodes the Y14 subunit of the exon-junction complex (EJC). TAR syndrome is the first reported human disorder caused by a defect in an EJC component. The exon-junction complex (EJC) performs essential RNA processing tasks1,2,3,4,5. Here, we describe the first human disorder, thrombocytopenia with absent radii (TAR)6, caused by deficiency in one of the four EJC subunits. Compound inheritance of a rare null allele and one of two low-frequency SNPs in the regulatory regions of RBM8A, encoding the Y14 subunit of EJC, causes TAR. We found that this inheritance mechanism explained 53 of 55 cases (P < 5 × 10−228) of the rare congenital malformation syndrome. Of the 53 cases with this inheritance pattern, 51 carried a submicroscopic deletion of 1q21.1 that has previously been associated with TAR7, and two carried a truncation or frameshift null mutation in RBM8A. We show that the two regulatory SNPs result in diminished RBM8A transcription in vitro and that Y14 expression is reduced in platelets from individuals with TAR. Our data implicate Y14 insufficiency and, presumably, an EJC defect as the cause of TAR syndrome.

Heteroplasmy incidence in mitochondrial DNA In humans, mitochondrial DNA (mtDNA) is predominantly maternally inherited. mtDNA is under selection to prevent heteroplasmy—the transmission of multiple genetic variants into the next generation. Wei et al. explored human mtDNA sequences to determine mtDNA genome structure, selection, and transmission. Whole-genome sequencing revealed that about 45% of individuals carry heteroplasmic mtDNA sequences at levels greater than 1% of their total mtDNA. Furthermore, studies of more than 1500 mother-offspring pairs indicated that the female line selected which mtDNA variants were passed on to children. This effect was influenced by the mother's nuclear genetic background. Thus, mtDNA is under selection at specific loci in the human germ line. Science , this issue p. eaau6520

Abstract The genetic etiologies of more than half of rare diseases remain unknown. Standardized genome sequencing and phenotyping of large patient cohorts provide an opportunity for discovering the unknown etiologies, but this depends on efficient and powerful analytical methods. We built a compact database, the ‘Rareservoir’, containing the rare variant genotypes and phenotypes of 77,539 participants sequenced by the 100,000 Genomes Project. We then used the Bayesian genetic association method BeviMed to infer associations between genes and each of 269 rare disease classes assigned by clinicians to the participants. We identified 241 known and 19 previously unidentified associations. We validated associations with ERG , PMEPA1 and GPR156 by searching for pedigrees in other cohorts and using bioinformatic and experimental approaches. We provide evidence that (1) loss-of-function variants in the Erythroblast Transformation Specific (ETS)-family transcription factor encoding gene ERG lead to primary lymphoedema, (2) truncating variants in the last exon of transforming growth factor-β regulator PMEPA1 result in Loeys–Dietz syndrome and (3) loss-of-function variants in GPR156 give rise to recessive congenital hearing impairment. The Rareservoir provides a lightweight, flexible and portable system for synthesizing the genetic and phenotypic data required to study rare disease cohorts with tens of thousands of participants.

Most people with intellectual disability (ID) do not receive a molecular diagnosis following genetic testing. To identify new etiologies of ID, we performed a genetic association analysis comparing the burden of rare variants in 41,132 noncoding genes between 5,529 unrelated cases and 46,401 unrelated controls. RNU4-2, which encodes U4 small nuclear RNA, a critical component of the spliceosome, was the most strongly associated gene. We implicated de novo variants among 47 cases in two regions of RNU4-2 in the etiology of a syndrome characterized by ID, microcephaly, short stature, hypotonia, seizures and motor delay. We replicated this finding in three collections, bringing the number of unrelated cases to 73. Analysis of national genomic diagnostic data showed RNU4-2 to be a more common etiological gene for neurodevelopmental abnormality than any previously reported autosomal gene. Our findings add to the growing evidence of spliceosome dysfunction in the etiologies of neurological disorders.

A targeted high-throughput sequencing (HTS) panel test for clinical diagnostics requires careful consideration of the inclusion of appropriate diagnostic-grade genes, the ability to detect multiple types of genomic variation with high levels of analytic sensitivity and reproducibility, and variant interpretation by a multi-disciplinary team (MDT) in the context of the clinical phenotype. We have sequenced 2,390 index patients using the ThromboGenomics HTS panel test of diagnostic-grade genes known to harbour variants associated with rare bleeding, thrombotic or platelet disorders (BPD). The diagnostic rate was determined by the clinical phenotype, with an overall rate of 50.4% for all thrombotic, coagulation, platelet count and function disorder patients and a rate of 6.2% for patients with unexplained bleeding disorders characterized by normal hemostasis test results. The MDT classified 756 unique variants, including copy number and intronic variants, as Pathogenic, Likely Pathogenic or Variants of Uncertain Significance. Almost half (49.7%) of these variants are novel and 41 unique variants were identified in 7 genes recently found to be implicated in BPD. Inspection of canonical hemostasis pathways identified 29 patients with evidence of oligogenic inheritance. A molecular diagnosis has been reported for 897 index patients providing evidence that introducing a HTS genetic test for BPD patients is meeting an important unmet clinical need.