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.

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.

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.