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 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.