Whole-exome sequencing is a diagnostic approach for the identification of molecular defects in patients with suspected genetic disorders.

Importance

 Clinical whole-exome sequencing is increasingly used for diagnostic evaluation of patients with suspected genetic disorders. 

Objective

 To perform clinical whole-exome sequencing and report (1) the rate of molecular diagnosis among phenotypic groups, (2) the spectrum of genetic alterations contributing to disease, and (3) the prevalence of medically actionable incidental findings such asFBN1mutations causing Marfan syndrome. 

Design, Setting, and Patients

 Observational study of 2000 consecutive patients with clinical whole-exome sequencing analyzed between June 2012 and August 2014. Whole-exome sequencing tests were performed at a clinical genetics laboratory in the United States. Results were reported by clinical molecular geneticists certified by the American Board of Medical Genetics and Genomics. Tests were ordered by the patient’s physician. The patients were primarily pediatric (1756 [88%]; mean age, 6 years; 888 females [44%], 1101 males [55%], and 11 fetuses [1% gender unknown]), demonstrating diverse clinical manifestations most often including nervous system dysfunction such as developmental delay. 

Main Outcomes and Measures

 Whole-exome sequencing diagnosis rate overall and by phenotypic category, mode of inheritance, spectrum of genetic events, and reporting of incidental findings. 

Results

 A molecular diagnosis was reported for 504 patients (25.2%) with 58% of the diagnostic mutations not previously reported. Molecular diagnosis rates for each phenotypic category were 143/526 (27.2%; 95% CI, 23.5%-31.2%) for the neurological group, 282/1147 (24.6%; 95% CI, 22.1%-27.2%) for the neurological plus other organ systems group, 30/83 (36.1%; 95% CI, 26.1%-47.5%) for the specific neurological group, and 49/244 (20.1%; 95% CI, 15.6%-25.8%) for the nonneurological group. The Mendelian disease patterns of the 527 molecular diagnoses included 280 (53.1%) autosomal dominant, 181 (34.3%) autosomal recessive (including 5 with uniparental disomy), 65 (12.3%) X-linked, and 1 (0.2%) mitochondrial. Of 504 patients with a molecular diagnosis, 23 (4.6%) had blended phenotypes resulting from 2 single gene defects. About 30% of the positive cases harbored mutations in disease genes reported since 2011. There were 95 medically actionable incidental findings in genes unrelated to the phenotype but with immediate implications for management in 92 patients (4.6%), including 59 patients (3%) with mutations in genes recommended for reporting by the American College of Medical Genetics and Genomics. 

Conclusions and Relevance

 Whole-exome sequencing provided a potential molecular diagnosis for 25% of a large cohort of patients referred for evaluation of suspected genetic conditions, including detection of rare genetic events and new mutations contributing to disease. The yield of whole-exome sequencing may offer advantages over traditional molecular diagnostic approaches in certain patients.

Whole-exome sequencing can provide insight into the relationship between observed clinical phenotypes and underlying genotypes.We conducted a retrospective analysis of data from a series of 7374 consecutive unrelated patients who had been referred to a clinical diagnostic laboratory for whole-exome sequencing; our goal was to determine the frequency and clinical characteristics of patients for whom more than one molecular diagnosis was reported. The phenotypic similarity between molecularly diagnosed pairs of diseases was calculated with the use of terms from the Human Phenotype Ontology.A molecular diagnosis was rendered for 2076 of 7374 patients (28.2%); among these patients, 101 (4.9%) had diagnoses that involved two or more disease loci. We also analyzed parental samples, when available, and found that de novo variants accounted for 67.8% (61 of 90) of pathogenic variants in autosomal dominant disease genes and 51.7% (15 of 29) of pathogenic variants in X-linked disease genes; both variants were de novo in 44.7% (17 of 38) of patients with two monoallelic variants. Causal copy-number variants were found in 12 patients (11.9%) with multiple diagnoses. Phenotypic similarity scores were significantly lower among patients in whom the phenotype resulted from two distinct mendelian disorders that affected different organ systems (50 patients) than among patients with disorders that had overlapping phenotypic features (30 patients) (median score, 0.21 vs. 0.36; P=1.77×10-7).In our study, we found multiple molecular diagnoses in 4.9% of cases in which whole-exome sequencing was informative. Our results show that structured clinical ontologies can be used to determine the degree of overlap between two mendelian diseases in the same patient; the diseases can be distinct or overlapping. Distinct disease phenotypes affect different organ systems, whereas overlapping disease phenotypes are more likely to be caused by two genes encoding proteins that interact within the same pathway. (Funded by the National Institutes of Health and the Ting Tsung and Wei Fong Chao Foundation.).

The human X and Y chromosomes evolved from an ordinary pair of autosomes, but millions of years ago genetic decay ravaged the Y chromosome, and only three per cent of its ancestral genes survived. We reconstructed the evolution of the Y chromosome across eight mammals to identify biases in gene content and the selective pressures that preserved the surviving ancestral genes. Our findings indicate that survival was nonrandom, and in two cases, convergent across placental and marsupial mammals. We conclude that the gene content of the Y chromosome became specialized through selection to maintain the ancestral dosage of homologous X–Y gene pairs that function as broadly expressed regulators of transcription, translation and protein stability. We propose that beyond its roles in testis determination and spermatogenesis, the Y chromosome is essential for male viability, and has unappreciated roles in Turner’s syndrome and in phenotypic differences between the sexes in health and disease. A study comparing the Y chromosome across mammalian species reveals that selection to maintain the ancestral dosage of homologous X–Y gene pairs preserved a handful of genes on the Y chromosome while the rest were lost; the survival of broadly expressed dosage-sensitive regulators of gene expression suggest that the human Y chromosome is essential for male viability. Mammalian Y chromosomes, known for their roles in sex determination and male fertility, often contain repetitive sequences that make them harder to assemble than the rest of the genome. To counter this problem Henrik Kaessmann and colleagues have developed a new transcript assembly approach based on male-specific RNA/genomic sequencing data to explore Y evolution across 15 species representing all major mammalian lineages. They find evidence for two independent sex chromosome originations in mammals and one in birds. Their analysis of the Y/W gene repertoires suggests that although some genes evolved novel functions in sex determination/spermatogenesis as a result of temporal/spatial expression changes, most Y genes probably persisted, at least initially, as a result of dosage constraints. In a parallel study, Daniel Bellott and colleagues reconstructed the evolution of the Y chromosome, using a comprehensive comparative analysis of the genomic sequence of X–Y gene pairs from seven placental mammals and one marsupial. They conclude that evolution streamlined the gene content of the human Y chromosome through selection to maintain the ancestral dosage of homologous X–Y gene pairs that regulate gene expression throughout the body. They propose that these genes make the Y chromosome essential for male viability and contribute to differences between the sexes in health and disease.

Genetic disorders are a leading cause of morbidity and mortality in infants. Rapid whole-genome sequencing (rWGS) can diagnose genetic disorders in time to change acute medical or surgical management (clinical utility) and improve outcomes in acutely ill infants. We report a retrospective cohort study of acutely ill inpatient infants in a regional children's hospital from July 2016-March 2017. Forty-two families received rWGS for etiologic diagnosis of genetic disorders. Probands also received standard genetic testing as clinically indicated. Primary end-points were rate of diagnosis, clinical utility, and healthcare utilization. The latter was modelled in six infants by comparing actual utilization with matched historical controls and/or counterfactual utilization had rWGS been performed at different time points. The diagnostic sensitivity of rWGS was 43% (eighteen of 42 infants) and 10% (four of 42 infants) for standard genetic tests (P = .0005). The rate of clinical utility of rWGS (31%, thirteen of 42 infants) was significantly greater than for standard genetic tests (2%, one of 42; P = .0015). Eleven (26%) infants with diagnostic rWGS avoided morbidity, one had a 43% reduction in likelihood of mortality, and one started palliative care. In six of the eleven infants, the changes in management reduced inpatient cost by $800,000-$2,000,000. These findings replicate a prior study of the clinical utility of rWGS in acutely ill inpatient infants, and demonstrate improved outcomes and net healthcare savings. rWGS merits consideration as a first tier test in this setting.

Abstract Background Enterococcus faecalis has emerged as a major hospital pathogen. To explore its diversity, we sequenced E. faecalis strain OG1RF, which is commonly used for molecular manipulation and virulence studies. Results The 2,739,625 base pair chromosome of OG1RF was found to contain approximately 232 kilobases unique to this strain compared to V583, the only publicly available sequenced strain. Almost no mobile genetic elements were found in OG1RF. The 64 areas of divergence were classified into three categories. First, OG1RF carries 39 unique regions, including 2 CRISPR loci and a new WxL locus. Second, we found nine replacements where a sequence specific to V583 was substituted by a sequence specific to OG1RF. For example, the iol operon of OG1RF replaces a possible prophage and the vanB transposon in V583. Finally, we found 16 regions that were present in V583 but missing from OG1RF, including the proposed pathogenicity island, several probable prophages, and the cpsCDEFGHIJK capsular polysaccharide operon. OG1RF was more rapidly but less frequently lethal than V583 in the mouse peritonitis model and considerably outcompeted V583 in a murine model of urinary tract infections. Conclusion E. faecalis OG1RF carries a number of unique loci compared to V583, but the almost complete lack of mobile genetic elements demonstrates that this is not a defining feature of the species. Additionally, OG1RF's effects in experimental models suggest that mediators of virulence may be diverse between different E. faecalis strains and that virulence is not dependent on the presence of mobile genetic elements.

Automated phenotyping and interpretation of rapid whole-genome sequencing improve time to diagnosis of genetic diseases in hospitalized children.

Abstract Autism spectrum disorder (ASD) is a genetically heterogeneous condition, caused by a combination of rare de novo and inherited variants as well as common variants in at least several hundred genes. However, significantly larger sample sizes are needed to identify the complete set of genetic risk factors. We conducted a pilot study for SPARK (SPARKForAutism.org) of 457 families with ASD, all consented online. Whole exome sequencing (WES) and genotyping data were generated for each family using DNA from saliva. We identified variants in genes and loci that are clinically recognized causes or significant contributors to ASD in 10.4% of families without previous genetic findings. In addition, we identified variants that are possibly associated with ASD in an additional 3.4% of families. A meta-analysis using the TADA framework at a false discovery rate (FDR) of 0.1 provides statistical support for 26 ASD risk genes. While most of these genes are already known ASD risk genes, BRSK2 has the strongest statistical support and reaches genome-wide significance as a risk gene for ASD ( p -value = 2.3e−06). Future studies leveraging the thousands of individuals with ASD who have enrolled in SPARK are likely to further clarify the genetic risk factors associated with ASD as well as allow accelerate ASD research that incorporates genetic etiology.