The shift to a genotype-first approach in genetic diagnostics has revolutionized our understanding of neurodevelopmental disorders, expanding both their molecular and phenotypic spectra. Kleefstra syndrome (KLEFS1) is caused by EHMT1 haploinsufficiency and exhibits broad clinical manifestations. EHMT1 encodes euchromatic histone methyltransferase-1-a pivotal component of the epigenetic machinery. We have recruited 209 individuals with a rare EHMT1 variant and performed comprehensive molecular in silico and in vitro testing alongside DNA methylation (DNAm) signature analysis for the identified variants. We (re)classified the variants as likely pathogenic/pathogenic (molecularly confirming Kleefstra syndrome) in 191 individuals. We provide an updated and broader clinical and molecular spectrum of Kleefstra syndrome, including individuals with normal intelligence and familial occurrence. Analysis of the EHMT1 variants reveals a broad range of molecular effects and their associated phenotypes, including distinct genotype-phenotype associations. Notably, we showed that disruption of the "reader" function of the ankyrin repeat domain by a protein altering variant (PAV) results in a KLEFS1-specific DNAm signature and milder phenotype, while disruption of only "writer" methyltransferase activity of the SET domain does not result in KLEFS1 DNAm signature or typical KLEFS1 phenotype. Similarly, N-terminal truncating variants result in a mild phenotype without the DNAm signature. We demonstrate how comprehensive variant analysis can provide insights into pathogenesis of the disorder and DNAm signature. In summary, this study presents a comprehensive overview of KLEFS1 and EHMT1, revealing its broader spectrum and deepening our understanding of its molecular mechanisms, thereby informing accurate variant interpretation, counseling, and clinical management.

Abstract Sequence-based genetic testing identifies causative variants in ~ 50% of individuals with developmental and epileptic encephalopathies (DEEs). Aberrant changes in DNA methylation are implicated in various neurodevelopmental disorders but remain unstudied in DEEs. We interrogate the diagnostic utility of genome-wide DNA methylation array analysis on peripheral blood samples from 582 individuals with genetically unsolved DEEs. We identify rare differentially methylated regions (DMRs) and explanatory episignatures to uncover causative and candidate genetic etiologies in 12 individuals. Using long-read sequencing, we identify DNA variants underlying rare DMRs, including one balanced translocation, three CG-rich repeat expansions, and four copy number variants. We also identify pathogenic variants associated with episignatures. Finally, we refine the CHD2 episignature using an 850 K methylation array and bisulfite sequencing to investigate potential insights into CHD2 pathophysiology. Our study demonstrates the diagnostic yield of genome-wide DNA methylation analysis to identify causal and candidate variants as 2% (12/582) for unsolved DEE cases.

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.

Abstract Chung-Jansen syndrome is a neurodevelopmental disorder characterized by intellectual disability, behavioral problems, obesity and dysmorphic features. It is caused by pathogenic variants in the PHIP gene that encodes for the Pleckstrin homology domain-interacting protein, which is part of an epigenetic modifier protein complex. Therefore, we hypothesized that PHIP haploinsufficiency may impact genome-wide DNA methylation (DNAm). We assessed the DNAm profiles of affected individuals with pathogenic and likely pathogenic PHIP variants with Infinium Methylation EPIC arrays and report a specific and sensitive DNAm episignature biomarker for Chung–Jansen syndrome. In addition, we observed similarities between the methylation profile of Chung–Jansen syndrome and that of functionally related and clinically partially overlapping genetic disorders, White–Kernohan syndrome (caused by variants in DDB1 gene) and Börjeson–Forssman–Lehmann syndrome (caused by variants in PHF6 gene). Based on these observations we also proceeded to develop a common episignature biomarker for these disorders. These newly defined episignatures can be used as part of a multiclass episignature classifier for screening of affected individuals with rare disorders and interpretation of genetic variants of unknown clinical significance, and provide further insights into the common molecular pathophysiology of the clinically-related Chung–Jansen, Börjeson–Forssman–Lehmann and White–Kernohan syndromes.

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.