Whole-exome sequencing is a diagnostic approach for the identification of molecular defects in patients with suspected genetic disorders.

Importance

 Clinical whole-exome sequencing is increasingly used for diagnostic evaluation of patients with suspected genetic disorders. 

Objective

 To perform clinical whole-exome sequencing and report (1) the rate of molecular diagnosis among phenotypic groups, (2) the spectrum of genetic alterations contributing to disease, and (3) the prevalence of medically actionable incidental findings such asFBN1mutations causing Marfan syndrome. 

Design, Setting, and Patients

 Observational study of 2000 consecutive patients with clinical whole-exome sequencing analyzed between June 2012 and August 2014. Whole-exome sequencing tests were performed at a clinical genetics laboratory in the United States. Results were reported by clinical molecular geneticists certified by the American Board of Medical Genetics and Genomics. Tests were ordered by the patient’s physician. The patients were primarily pediatric (1756 [88%]; mean age, 6 years; 888 females [44%], 1101 males [55%], and 11 fetuses [1% gender unknown]), demonstrating diverse clinical manifestations most often including nervous system dysfunction such as developmental delay. 

Main Outcomes and Measures

 Whole-exome sequencing diagnosis rate overall and by phenotypic category, mode of inheritance, spectrum of genetic events, and reporting of incidental findings. 

Results

 A molecular diagnosis was reported for 504 patients (25.2%) with 58% of the diagnostic mutations not previously reported. Molecular diagnosis rates for each phenotypic category were 143/526 (27.2%; 95% CI, 23.5%-31.2%) for the neurological group, 282/1147 (24.6%; 95% CI, 22.1%-27.2%) for the neurological plus other organ systems group, 30/83 (36.1%; 95% CI, 26.1%-47.5%) for the specific neurological group, and 49/244 (20.1%; 95% CI, 15.6%-25.8%) for the nonneurological group. The Mendelian disease patterns of the 527 molecular diagnoses included 280 (53.1%) autosomal dominant, 181 (34.3%) autosomal recessive (including 5 with uniparental disomy), 65 (12.3%) X-linked, and 1 (0.2%) mitochondrial. Of 504 patients with a molecular diagnosis, 23 (4.6%) had blended phenotypes resulting from 2 single gene defects. About 30% of the positive cases harbored mutations in disease genes reported since 2011. There were 95 medically actionable incidental findings in genes unrelated to the phenotype but with immediate implications for management in 92 patients (4.6%), including 59 patients (3%) with mutations in genes recommended for reporting by the American College of Medical Genetics and Genomics. 

Conclusions and Relevance

 Whole-exome sequencing provided a potential molecular diagnosis for 25% of a large cohort of patients referred for evaluation of suspected genetic conditions, including detection of rare genetic events and new mutations contributing to disease. The yield of whole-exome sequencing may offer advantages over traditional molecular diagnostic approaches in certain patients.

Prader-Willi syndrome (PWS) is caused by deficiency for one or more paternally expressed imprinted transcripts within chromosome 15q11-q13, including SNURF-SNRPN and multiple small nucleolar RNAs (snoRNAs). Balanced chromosomal translocations that preserve expression of SNURF-SNRPN and centromeric genes but separate the snoRNA HBII-85 cluster from its promoter cause PWS. A microdeletion of the HBII-85 snoRNAs in a child with PWS provides, in combination with previous data, effectively conclusive evidence that deficiency of HBII-85 snoRNAs causes the key characteristics of the PWS phenotype, although some atypical features suggest that other genes in the region may make more subtle phenotypic contributions.

Abstract Congenital neutropenia and cyclic neutropenia are disorders of neutrophil production predisposing patients to recurrent bacterial infections. Recently the locus for autosomal dominant cyclic neutropenia was mapped to chromosome 19p13.3, and this disease is now attributable to mutations of the gene encoding neutrophil elastase (the ELA2 gene). The authors hypothesized that congenital neutropenia is also due to mutations of neutrophil elastase. Patients with congenital neutropenia, cyclic neutropenia, or Shwachman-Diamond syndrome were referred to the Severe Chronic Neutropenia International Registry. Referring physicians provided hematologic and clinical data. Mutational analysis was performed by sequencing polymerase chain reaction (PCR)-amplified genomic DNA for each of the 5 exons of the neutrophil ELA2 gene and 20 bases of the flanking regions. RNA from bone marrow mononuclear cells was used to determine if the affected patients expressed both the normal and the abnormal transcript. Twenty-two of 25 patients with congenital neutropenia had 18 different heterozygous mutations. Four of 4 patients with cyclic neutropenia and 0 of 3 patients with Shwachman-Diamond syndrome had mutations. For 5 patients with congenital neutropenia having mutations predicted to alter RNA splicing or transcript structure, reverse transcriptase-PCR showed expression of both normal and abnormal transcripts. In cyclic neutropenia, the mutations appeared to cluster near the active site of the molecule, whereas the opposite face was predominantly affected by the mutations found in congenital neutropenia. This study indicates that mutations of the gene encoding neutrophil elastase are probably the most common cause for severe congenital neutropenia as well as the cause for sporadic and autosomal dominant cyclic neutropenia.

Mice lacking the transcriptional repressor oncoprotein Gfi1 are unexpectedly neutropenic1,2. We therefore screened GFI1 as a candidate for association with neutropenia in affected individuals without mutations in ELA2 (encoding neutrophil elastase), the most common cause of severe congenital neutropenia (SCN; ref. 3). We found dominant negative zinc finger mutations that disable transcriptional repressor activity. The phenotype also includes immunodeficient lymphocytes and production of a circulating population of myeloid cells that appear immature. We show by chromatin immunoprecipitation, gel shift, reporter assays and elevated expression of ELA2 in vivo in neutropenic individuals that GFI1 represses ELA2, linking these two genes in a common pathway involved in myeloid differentiation.

We delineate a KMT2E gene-related neurodevelopmental disorder based on 38 individuals in 36 families. This includes 31 distinct heterozygous variants in the KMT2E gene (28 ascertained from Matchmaker Exchange and 3 previously reported), and 4 individuals with chromosome 7q22.2-22.23 microdeletions encompassing the KMT2E gene (1 previously reported). Almost all variants occurred de novo, and most were truncating. Most affected individuals with protein-truncating variants presented with mild intellectual disability. One-quarter of individuals met criteria for autism. Additional common features include macrocephaly, hypotonia, functional gastrointestinal abnormalities, and a subtle facial gestalt. Epilepsy was present in about one-fifth of individuals with truncating variants, and was responsive to treatment with anti-epileptic medications in almost all. Over 70% of the individuals were male and expressivity was variable by sex, with epilepsy more common in females and autism more common in males. The four individuals with microdeletions encompassing KMT2E generally presented similarly to those with truncating variants, but the degree of developmental delay was greater. The group of four individuals with missense variants in KMT2E presented with the most severe developmental delays. Epilepsy was present in all individuals with missense variants, often manifesting as treatment-resistant infantile epileptic encephalopathy. Microcephaly was also common in this group. Haploinsufficiency versus gain-of-function or dominant negative effects specific to these missense variants in KMT2E may explain this divergence in phenotype, but requires independent validation. Disruptive variants in KMT2E are an under-recognized cause of neurodevelopmental abnormalities.

Developmental and epileptic encephalopathies (DEEs) feature altered brain development, developmental delay and seizures, with seizures exacerbating developmental delay. Here we identify a cohort with biallelic variants in DENND5A, encoding a membrane trafficking protein, and develop animal models with phenotypes like the human syndrome. We demonstrate that DENND5A interacts with Pals1/MUPP1, components of the Crumbs apical polarity complex required for symmetrical division of neural progenitor cells. Human induced pluripotent stem cells lacking DENND5A fail to undergo symmetric cell division with an inherent propensity to differentiate into neurons. These phenotypes result from misalignment of the mitotic spindle in apical neural progenitors. Cells lacking DENND5A orient away from the proliferative apical domain surrounding the ventricles, biasing daughter cells towards a more fate-committed state, ultimately shortening the period of neurogenesis. This study provides a mechanism for DENND5A-related DEE that may be generalizable to other developmental conditions and provides variant-specific clinical information for physicians and families. Developmental and epileptic encephalopathies are devastating neurological disorders. Here, the authors establish a cohort of patients with variants in the gene DENND5A and use human stem cells to discover a disease mechanism involving altered cell division.

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.