Gerton Lunter and colleagues report Platypus software, which combines a haplotype-based multi-sample variant caller with local sequence assembly in a Bayesian statistical framework. They demonstrate applications to exome and whole-genome data sets, to the identification de novo mutations in parent-offspring trios and to the genotyping of HLA loci. High-throughput DNA sequencing technology has transformed genetic research and is starting to make an impact on clinical practice. However, analyzing high-throughput sequencing data remains challenging, particularly in clinical settings where accuracy and turnaround times are critical. We present a new approach to this problem, implemented in a software package called Platypus. Platypus achieves high sensitivity and specificity for SNPs, indels and complex polymorphisms by using local de novo assembly to generate candidate variants, followed by local realignment and probabilistic haplotype estimation. It is an order of magnitude faster than existing tools and generates calls from raw aligned read data without preprocessing. We demonstrate the performance of Platypus in clinically relevant experimental designs by comparing with SAMtools and GATK on whole-genome and exome-capture data, by identifying de novo variation in 15 parent-offspring trios with high sensitivity and specificity, and by estimating human leukocyte antigen genotypes directly from variant calls.

Remodeling of the cytoskeleton is central to the modulation of cell shape and migration. Filamin A, encoded by the gene FLNA, is a widely expressed protein that regulates re-organization of the actin cytoskeleton by interacting with integrins, transmembrane receptor complexes and second messengers. We identified localized mutations in FLNA that conserve the reading frame and lead to a broad range of congenital malformations, affecting craniofacial structures, skeleton, brain, viscera and urogenital tract, in four X-linked human disorders: otopalatodigital syndrome types 1 (OPD1; OMIM 311300) and 2 (OPD2; OMIM 304120), frontometaphyseal dysplasia (FMD; OMIM 305620) and Melnick-Needles syndrome (MNS; OMIM 309350). Several mutations are recurrent, and all are clustered into four regions of the gene: the actin-binding domain and rod domain repeats 3, 10 and 14/15. Our findings contrast with previous observations that loss of function of FLNA is embryonic lethal in males but manifests in females as a localized neuronal migration disorder, called periventricular nodular heterotopia (PVNH; refs. 3-6). The patterns of mutation, X-chromosome inactivation and phenotypic manifestations in the newly described mutations indicate that they have gain-of-function effects, implicating filamin A in signaling pathways that mediate organogenesis in multiple systems during embryonic development.

Gilean McVean and colleagues report the results of a large-scale clinical genome sequencing project spanning a broad spectrum of disorders. They identify factors influencing successful genetic diagnosis and highlight the challenges of interpreting findings for genetically heterogeneous disorders. To assess factors influencing the success of whole-genome sequencing for mainstream clinical diagnosis, we sequenced 217 individuals from 156 independent cases or families across a broad spectrum of disorders in whom previous screening had identified no pathogenic variants. We quantified the number of candidate variants identified using different strategies for variant calling, filtering, annotation and prioritization. We found that jointly calling variants across samples, filtering against both local and external databases, deploying multiple annotation tools and using familial transmission above biological plausibility contributed to accuracy. Overall, we identified disease-causing variants in 21% of cases, with the proportion increasing to 34% (23/68) for mendelian disorders and 57% (8/14) in family trios. We also discovered 32 potentially clinically actionable variants in 18 genes unrelated to the referral disorder, although only 4 were ultimately considered reportable. Our results demonstrate the value of genome sequencing for routine clinical diagnosis but also highlight many outstanding challenges.

We describe the first cohort-based analysis of the impact of genetic disorders in craniosynostosis. We aimed to refine the understanding of prognoses and pathogenesis and to provide rational criteria for clinical genetic testing.We undertook targeted molecular genetic and cytogenetic testing for 326 children who required surgery because of craniosynostosis, were born in 1993-2002, presented to a single craniofacial unit, and were monitored until the end of 2007.Eighty-four children (and 64 relatives) had pathologic genetic alterations (86% single-gene mutations and 14% chromosomal abnormalities). The FGFR3 P250R mutation was the single largest contributor (24%) to the genetic group. Genetic diagnoses accounted for 21% of all craniosynostosis cases and were associated with increased rates of many complications. Children with an initial clinical diagnosis of nonsyndromic craniosynostosis were more likely to have a causative mutation if the synostoses were unicoronal or bicoronal (10 of 48 cases) than if they were sagittal or metopic (0 of 55 cases; P = .0003). Repeat craniofacial surgery was required for 58% of children with single-gene mutations but only 17% of those with chromosomal abnormalities (P = .01).Clinical genetic assessment is critical for the treatment of children with craniosynostosis. Genetic testing of nonsyndromic cases (at least for FGFR3 P250R and FGFR2 exons IIIa/c) should be targeted to patients with coronal or multisuture synostoses. Single-gene disorders that disrupt physiologic signaling in the cranial sutures often require reoperation, whereas chromosomal abnormalities follow a more-indolent course, which suggests a different, secondary origin of the associated craniosynostosis.

While it is widely thought that de novo mutations (DNMs) occur randomly, we previously showed that some DNMs are enriched because they are positively selected in the testes of aging men. These "selfish" mutations cause disorders with a shared presentation of features, including exclusive paternal origin, significant increase of the father's age, and high apparent germline mutation rate. To date, all known selfish mutations cluster within the components of the RTK-RAS-MAPK signaling pathway, a critical modulator of testicular homeostasis. Here, we demonstrate the selfish nature of the SMAD4 DNMs causing Myhre syndrome (MYHRS). By analyzing 16 informative trios, we show that MYHRS-causing DNMs originated on the paternally derived allele in all cases. We document a statistically significant epidemiological paternal age effect of 6.3 years excess for fathers of MYHRS probands. We developed an ultra-sensitive assay to quantify spontaneous MYHRS-causing SMAD4 variants in sperm and show that pathogenic variants at codon 500 are found at elevated level in sperm of most men and exhibit a strong positive correlation with donor's age, indicative of a high apparent germline mutation rate. Finally, we performed in vitro assays to validate the peculiar functional behavior of the clonally selected DNMs and explored the basis of the pathophysiology of the different SMAD4 sperm-enriched variants. Taken together, these data provide compelling evidence that SMAD4, a gene operating outside the canonical RAS-MAPK signaling pathway, is associated with selfish spermatogonial selection and raises the possibility that other genes/pathways are under positive selection in the aging human testis.

Abstract Sutures separate the flat bones of the skull and enable coordinated growth of the brain and overlying cranium. To uncover the cellular diversity within sutures, we generated single-cell transcriptomes and performed extensive expression validation of the embryonic murine coronal suture. We identify Erg and Pthlh as markers of osteogenic progenitors in sutures, and distinct pre-osteoblast signatures between the bone fronts and periosteum. In the ectocranial layers above the suture, we observe a ligament-like population spanning the frontal and parietal bones. In the dura mater underlying the suture, we detect a chondrocyte-like signature potentially linked to cartilage formation under pathological conditions. Genes mutated in coronal synostosis are preferentially expressed in proliferative osteogenic cells, as well as meningeal layers, suggesting discrete cell types that may be altered in different syndromes. This single-cell atlas provides a resource for understanding development of the coronal suture, the suture most commonly fused in monogenic craniosynostosis.

The identification of structural variants (SVs) in genomic data represents an ongoing challenge because of difficulties in reliable SV calling leading to reduced sensitivity and specificity. We prepared high-quality DNA from 9 parent–child trios, who had previously undergone short-read whole-genome sequencing (Illumina platform) as part of the Genomics England 100,000 Genomes Project. We reanalysed the genomes using both Bionano optical genome mapping (OGM; 8 probands and one trio) and Nanopore long-read sequencing (Oxford Nanopore Technologies [ONT] platform; all samples). To establish a “truth” dataset, we asked whether rare proband SV calls (n = 234) made by the Bionano Access (version 1.6.1)/Solve software (version 3.6.1_11162020) could be verified by individual visualisation using the Integrative Genomics Viewer with either or both of the Illumina and ONT raw sequence. Of these, 222 calls were verified, indicating that Bionano OGM calls have high precision (positive predictive value 95%). We then asked what proportion of the 222 true Bionano SVs had been identified by SV callers in the other two datasets. In the Illumina dataset, sensitivity varied according to variant type, being high for deletions (115/134; 86%) but poor for insertions (13/58; 22%). In the ONT dataset, sensitivity was generally poor using the original Sniffles variant caller (48% overall) but improved substantially with use of Sniffles2 (36/40; 90% and 17/23; 74% for deletions and insertions, respectively). In summary, we show that the precision of OGM is very high. In addition, when applying the Sniffles2 caller, the sensitivity of SV calling using ONT long-read sequence data outperforms Illumina sequencing for most SV types.