The sequence of the mouse genome is a key informational tool for understanding the contents of the human genome and a key experimental tool for biomedical research. Here, we report the results of an international collaboration to produce a high-quality draft sequence of the mouse genome. We also present an initial comparative analysis of the mouse and human genomes, describing some of the insights that can be gleaned from the two sequences. We discuss topics including the analysis of the evolutionary forces shaping the size, structure and sequence of the genomes; the conservation of large-scale synteny across most of the genomes; the much lower extent of sequence orthology covering less than half of the genomes; the proportions of the genomes under selection; the number of protein-coding genes; the expansion of gene families related to reproduction and immunity; the evolution of proteins; and the identification of intraspecies polymorphism.

Since its initial release in 2000, the human reference genome has covered only the euchromatic fraction of the genome, leaving important heterochromatic regions unfinished. Addressing the remaining 8% of the genome, the Telomere-to-Telomere (T2T) Consortium presents a complete 3.055 billion-base pair sequence of a human genome, T2T-CHM13, that includes gapless assemblies for all chromosomes except Y, corrects errors in the prior references, and introduces nearly 200 million base pairs of sequence containing 1956 gene predictions, 99 of which are predicted to be protein coding. The completed regions include all centromeric satellite arrays, recent segmental duplications, and the short arms of all five acrocentric chromosomes, unlocking these complex regions of the genome to variational and functional studies.

To elucidate the novel molecular cause in two unrelated consanguineous families with autosomal recessive intellectual disability.A combination of homozygosity mapping and exome sequencing was used to locate the plausible genetic defect in family F162, while only exome sequencing was followed in the family PKMR65. The protein 3D structure was visualized with the University of California-San Francisco Chimera software.All five patients from both families presented with severe intellectual disability, aggressive behavior, and speech and motor delay. Four of the five patients had microcephaly. We identified homozygous missense variants in LINGO1, p.(Arg290His) in family F162 and p.(Tyr288Cys) in family PKMR65. Both variants were predicted to be pathogenic, and segregated with the phenotype in the respective families. Molecular modeling of LINGO1 suggests that both variants interfere with the glycosylation of the protein.LINGO1 is a transmembrane receptor, predominantly found in the central nervous system. Published loss-of-function studies in mouse and zebrafish have established a crucial role of LINGO1 in normal neuronal development and central nervous system myelination by negatively regulating oligodendrocyte differentiation and neuronal survival. Taken together, our results indicate that biallelic LINGO1 missense variants cause autosomal recessive intellectual disability in humans.

Abstract

Purpose

 To elucidate the novel molecular cause in families with a new autosomal recessive neurodevelopmental disorder. 

Methods

 A combination of exome sequencing and gene matching tools was used to identify pathogenic variants in 17 individuals. Quantitative reverse transcription polymerase chain reaction (RT-qPCR) and subcellular localization studies were used to characterize gene expression profile and localization. 

Results

 Biallelic variants in the TMEM222 gene were identified in 17 individuals from nine unrelated families, presenting with intellectual disability and variable other features, such as aggressive behavior, shy character, body tremors, decreased muscle mass in the lower extremities, and mild hypotonia. We found relatively high TMEM222 expression levels in the human brain, especially in the parietal and occipital cortex. Additionally, subcellular localization analysis in human neurons derived from induced pluripotent stem cells (iPSCs) revealed that TMEM222 localizes to early endosomes in the synapses of mature iPSC-derived neurons. 

Conclusion

 Our findings support a role for TMEM222 in brain development and function and adds variants in the gene TMEM222 as a novel underlying cause of an autosomal recessive neurodevelopmental disorder.

Abstract CoverageMaster (CoM) is a Copy Number Variation (CNV) calling algorithm based on depth-of-coverage maps designed to detect CNVs of any size in exome (WES) and genome (WGS) data. The core of the algorithm is the compression of sequencing coverage data in a multiscale Wavelet space and the analysis through an iterative Hidden Markov Model (HMM). CoM processes WES and WGS data at nucleotide scale resolution and accurately detect and visualize full size range CNVs, including single or partial exon deletions and duplications. The results obtained with this approach support the possibility for coverage-based CNV callers to replace probe-based methods such array CGH and MLPA in the near future.

Abstract In 2001, Celera Genomics and the International Human Genome Sequencing Consortium published their initial drafts of the human genome, which revolutionized the field of genomics. While these drafts and the updates that followed effectively covered the euchromatic fraction of the genome, the heterochromatin and many other complex regions were left unfinished or erroneous. Addressing this remaining 8% of the genome, the Telomere-to-Telomere (T2T) Consortium has finished the first truly complete 3.055 billion base pair (bp) sequence of a human genome, representing the largest improvement to the human reference genome since its initial release. The new T2T-CHM13 reference includes gapless assemblies for all 22 autosomes plus Chromosome X, corrects numerous errors, and introduces nearly 200 million bp of novel sequence containing 2,226 paralogous gene copies, 115 of which are predicted to be protein coding. The newly completed regions include all centromeric satellite arrays and the short arms of all five acrocentric chromosomes, unlocking these complex regions of the genome to variational and functional studies for the first time.

Missense variants in Kirrel3 are repeatedly identified as risk factors for autism spectrum disorder and intellectual disability but it has not been reported if or how these variants disrupt Kirrel3 function. Previously, we studied Kirrel3 loss-of-function using knockout mice and showed that Kirrel3 is a synaptic adhesion molecule necessary to form one specific type of hippocampal synapse in vivo. Here, we developed a new gain-of-function assay for Kirrel3 and find that wild-type Kirrel3 induces synapse formation selectively between Kirrel3-expressing cells via homophilic, trans-cellular binding. We tested six disease-associated Kirrel3 missense variants and find that five attenuate this synaptogenic function. All variants tested traffic to the cell surface and localize to synapses similar to wild-type Kirrel3. Two tested variants lack homophilic trans-cellular binding, which likely accounts for their reduced synaptogenic function. Interestingly, we also identified variants that bind in trans but cannot induce synapses, indicating Kirrel3 trans-cellular binding is necessary but not sufficient for its synaptogenic function. Collectively, these results suggest Kirrel3 functions as a synaptogenic, cell-recognition molecule, and this function is attenuated by missense variants associated with autism spectrum disorder and intellectual disability. Thus, we provide critical insight to Kirrel3 function in typical brain development and the consequences of missense variants associated with autism spectrum disorder and intellectual disability.

In eutherian mammals, X chromosome inactivation (XCI) provides a dosage compensation mechanism where in each female cell one of the two X chromosomes is randomly silenced. However, some genes on the inactive X chromosome and outside the pseudoautosomal regions escape from XCI and are expressed from both alleles (escapees). Given the relevance of the escapees in biology and medicine, we investigated XCI at an unprecedented single-cell resolution. We combined deep single-cell RNA sequencing with whole genome sequencing to examine allelic specific expression (ASE) in 935 primary fibroblast and 48 lymphoblastoid single cells from five female individuals. In this framework we integrated an original method to identify and exclude doublets of cells. We have identified 55 genes as escapees including 5 novel escapee genes. Moreover, we observed that all genes exhibit a variable propensity to escape XCI in each cell and cell type, and that each cell displays a distinct expression profile of the escapee genes. We devised a novel metric, the Inactivation Score (IS), defined as the mean of the allelic expression profiles of the escapees per cell, and discovered a heterogeneous and continuous degree of cellular XCI with extremes represented by "inactive" cells, i.e., exclusively expressing the escaping genes from the active X chromosome, and "escaping" cells, expressing the escapees from both alleles. Intriguingly we found that XIST is the major genetic determinant of IS, and that XIST expression, higher in G0 phase, is negatively correlated with the expression of escapees, inactivated and pseudoautosomal genes. In this study we use single-cell allele specific expression to identify novel escapees in different tissues and provide evidence of an unexpected cellular heterogeneity of XCI driven by a possible regulatory activity of XIST.

The independent reproduction of research results is a cornerstone of experimental research, yet it is beset by numerous challenges, including the quality and veracity of reagents and materials. Much of life science research depends on life materials, including human tissue culture cells. In this study we aimed at determining the degree of variability in the molecular makeup and the ensuing phenotypic consequences in commonly used human tissue culture cells. We collected 14 stock HeLa aliquots from 13 different laboratories across the globe, cultured them in uniform conditions and profiled the genome-wide copy numbers, mRNAs, proteins and protein turnover rates via genomic techniques and SWATH mass spectrometry, respectively. We also phenotyped each cell line with respect to the ability of transfected Let7 mimics to modulate Salmonella infection. We discovered significant heterogeneity between HeLa variants, especially between lines of the CCL2 and Kyoto variety. We also observed progressive divergence within a specific cell line over 50 successive passages. From the aggregate multi-omic datasets we quantified the response of the cells to genomic variability across the transcriptome and proteome. We discovered organelle-specific proteome remodeling and buffering of protein abundance by protein complex stoichiometry, mediated by the adaptation of protein turnover rates. By associating quantitative proteotype and phenotype measurements we identified protein patterns that explained the varying response of the different cell lines to Salmonella infection. Altogether the results indicate a striking degree of genomic variability, the rapid evolution of genomic variability in culture and its complex translation into distinctive expressed molecular and phenotypic patterns. The results have broad implications for the interpretation and reproducibility of research results obtained from HeLa cells and provide important basis for a general discussion of the value and requirements for communicating research results obtained from human tissue culture cells.

Enhancers, through the combinatorial action of transcription factors (TFs), dictate both the spatial specificity and the levels of gene expression, and their aberrations can result in diseases. The association between HMX1 and its downstream enhancer with ear deformities has been previously documented. However, the pathogenic variations and molecular mechanisms underlying the bilateral constricted ear (BCE) malformations remain unclear. This study identifies a copy number variation (CNV) encompassing three enhancers that induces BCE. These enhancers, collectively termed the positional identity hierarchical enhancer cluster (PI-HEC), co-regulate spatiotemporal expression of the HMX1 gene in a coordinated and synergistic mode, each displaying unique activity-location-structure characteristics. A thorough exploration of this regulatory locus reveals that specific motif clusters within the PI-HEC variably modulate its activity and specificity, with the high mobility group (HMG) box combined with Coordinator and homeodomain (HD)-TFs notably influencing them respectively. Our findings based on various types of mouse models, reveal that both aberrant Hmx1 expression in the fibroblasts of the basal pinna, originating from neural crest cells, and ectopic expression in the distal pinna structures contribute to the abnormal development of the outer ear, including the cartilage, muscle, and epidermis tissues. This study deepens our understanding of mammalian ear morphogenesis and sheds light on the complexity of gene expression regulation by enhancers and specific sequence motifs.