Most patients with rare diseases do not receive a molecular diagnosis and the aetiological variants and causative genes for more than half such disorders remain to be discovered1. Here we used whole-genome sequencing (WGS) in a national health system to streamline diagnosis and to discover unknown aetiological variants in the coding and non-coding regions of the genome. We generated WGS data for 13,037 participants, of whom 9,802 had a rare disease, and provided a genetic diagnosis to 1,138 of the 7,065 extensively phenotyped participants. We identified 95 Mendelian associations between genes and rare diseases, of which 11 have been discovered since 2015 and at least 79 are confirmed to be aetiological. By generating WGS data of UK Biobank participants2, we found that rare alleles can explain the presence of some individuals in the tails of a quantitative trait for red blood cells. Finally, we identified four novel non-coding variants that cause disease through the disruption of transcription of ARPC1B, GATA1, LRBA and MPL. Our study demonstrates a synergy by using WGS for diagnosis and aetiological discovery in routine healthcare. Whole-genome sequencing and phenotype data sharing are introduced in a national health system to streamline diagnosis and to discover coding and non-coding variants that cause rare diseases.

Identification of single-gene causes of steroid-resistant nephrotic syndrome (SRNS) has furthered the understanding of the pathogenesis of this disease. Here, using a combination of homozygosity mapping and whole human exome resequencing, we identified mutations in the aarF domain containing kinase 4 (ADCK4) gene in 15 individuals with SRNS from 8 unrelated families. ADCK4 was highly similar to ADCK3, which has been shown to participate in coenzyme Q10 (CoQ10) biosynthesis. Mutations in ADCK4 resulted in reduced CoQ10 levels and reduced mitochondrial respiratory enzyme activity in cells isolated from individuals with SRNS and transformed lymphoblasts. Knockdown of adck4 in zebrafish and Drosophila recapitulated nephrotic syndrome-associated phenotypes. Furthermore, ADCK4 was expressed in glomerular podocytes and partially localized to podocyte mitochondria and foot processes in rat kidneys and cultured human podocytes. In human podocytes, ADCK4 interacted with members of the CoQ10 biosynthesis pathway, including COQ6, which has been linked with SRNS and COQ7. Knockdown of ADCK4 in podocytes resulted in decreased migration, which was reversed by CoQ10 addition. Interestingly, a patient with SRNS with a homozygous ADCK4 frameshift mutation had partial remission following CoQ10 treatment. These data indicate that individuals with SRNS with mutations in ADCK4 or other genes that participate in CoQ10 biosynthesis may be treatable with CoQ10.

Heteroplasmy incidence in mitochondrial DNA In humans, mitochondrial DNA (mtDNA) is predominantly maternally inherited. mtDNA is under selection to prevent heteroplasmy—the transmission of multiple genetic variants into the next generation. Wei et al. explored human mtDNA sequences to determine mtDNA genome structure, selection, and transmission. Whole-genome sequencing revealed that about 45% of individuals carry heteroplasmic mtDNA sequences at levels greater than 1% of their total mtDNA. Furthermore, studies of more than 1500 mother-offspring pairs indicated that the female line selected which mtDNA variants were passed on to children. This effect was influenced by the mother's nuclear genetic background. Thus, mtDNA is under selection at specific loci in the human germ line. Science , this issue p. eaau6520

Abstract Intrahepatic cholestasis of pregnancy (ICP) is a pregnancy-specific liver disorder affecting 0.5–2% of pregnancies. The majority of cases present in the third trimester with pruritus, elevated serum bile acids and abnormal serum liver tests. ICP is associated with an increased risk of adverse outcomes, including spontaneous preterm birth and stillbirth. Whilst rare mutations affecting hepatobiliary transporters contribute to the aetiology of ICP, the role of common genetic variation in ICP has not been systematically characterised to date. Here, we perform genome-wide association studies (GWAS) and meta-analyses for ICP across three studies including 1138 cases and 153,642 controls. Eleven loci achieve genome-wide significance and have been further investigated and fine-mapped using functional genomics approaches. Our results pinpoint common sequence variation in liver-enriched genes and liver-specific cis -regulatory elements as contributing mechanisms to ICP susceptibility.

Genetic testing in nephrotic syndrome may identify heterozygous predicted-pathogenic variants (HPPVs) in autosomal recessive (AR) genes that are known to cause disease in the homozygous or compound heterozygous state. In such cases, it can be difficult to define the variant's true significance and questions remain about whether a second pathogenic variant has been missed during analysis or whether the variant is an incidental finding. There are now known to be over 70 genes associated with nephrotic syndrome, the majority inherited as an AR trait. Knowledge of whether such HPPVs occur with equal frequency in patients compared to the general population would assist interpretation of their significance. Exome sequencing was performed on 187 Steroid-Resistant Nephrotic Syndrome (SRNS) paediatric patients recruited to a UK rare disease registry plus originating from clinics at Evelina, London. 59 AR podocytopathy linked genes were analysed in each patient and a list of HPPVs created. We compared the frequency of detected HPPVs with a 'control' population from the gnomAD database containing exome data from approximately 50,000 individuals. A bespoke filtering process was used for both patients and controls to predict 'likely pathogenicity' of variants. In total 130 Caucasian SRNS patients were screened across 59 AR genes and 201 rare heterozygous variants were identified. 17/201 (8.5%) were assigned as 'likely pathogenic' (HPPV) using our bespoke filtering method. Comparing each gene in turn, for SRNS patients with a confirmed genetic diagnosis, in 57 of the 59 genes we found no statistically significant difference in the frequency of these HPPVs between patients and controls (In genes ARHGDIA and TP53RK, we identified a significantly higher number of HPPVs in the control population compared with the patients when filtering was performed with 'high stringency' settings only). In the SRNS patients without a genetics diagnosis confirmed, there was no statistically significant difference identified in any gene between patient and control. In children with SRNS, we propose that identification of HPPV in AR podocytopathy linked genes is not necessarily representative of pathogenicity, given that the frequency is similar to that seen in controls for the majority. Whilst this may not exclude the presence of genetic kidney disease, this type of heterozygous variant is unlikely to be causal and each result must be interpreted in its clinical context.