46
Lessons from 6000 clinical exomes Han G. Brunner

Whole Genome sequencing for intellectual disability

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Lessons  from  6000  clinical  exomes  

Han  G.  Brunner  

Page 2: Whole Genome sequencing for intellectual disability

The  first  whole  genomes  James  Watson   Craig  Venter  

Nature  2008  

Nature  2008  

PloS  Biology  2007  

Nature  2008  

Marjolein  Kriek    

Ozzy  Osbourne      genome  sequencing  project    

Jim  Lupski  

TEDMED  2010  

Ozzy  Osbourne  

Page 3: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Nijmegen  Clinical  Exome  Sequencing    2011-­‐  2015  

Page 4: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Clinical  Exome    Requests  2013-­‐2014  increase    

Page 5: Whole Genome sequencing for intellectual disability

500  Exomes/  month  in  2015  

Page 6: Whole Genome sequencing for intellectual disability

All individuals must agree with the entire procedure

All individuals must understand the possibility of incidental findings

and agree to be informed.

Data will be stored and may be shared with other researchers

Informed  consent  

Page 7: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Full  exome  or  targeted  analysis?  

Most  families  with  severe  or  progressive  disease  choose  full  exome                      e.g.  severe  ID  in  child      Some  paTents  with  milder  or  stable  condiTons  choose  targeted  analysis  

 e.g.  deafness  in  adult    

Page 8: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Three  reasons  why  DiagnosTc  Next  GeneraTon  Sequencing  of  all  genes  (exome)  is  becoming  part  of    mainstream    medicine:    •   1500  Euros  is  not  prohibiTve,  and  we  are  cuZng  other  costs  •   We  are  not  as  good  at  clinical  diagnosis  as  we  would  like  to  think  •   Process  not  more  difficult  to  handle  than  current  diagnosTc  strategies    

 Misdiagnosis    Missed  diagnosis    Confusion    Harm  

Page 9: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Number  of  paHents  with  dedicated  gene  tests:  78  of  100    Total  dedicated  gene  tests:  233  Number  of  different  genes:  56  Range  per  paHent:    0-­‐13  genes    Also:      100  SNP  microarrays  

     79  metabolic  screens        34  brain  MRIs        4  cerebral  CT  scans  

Page 10: Whole Genome sequencing for intellectual disability

0  

100  

200  

300  

400  

500  

600  

700  

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  11  12   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  11  12   1   2   3   4  

2013   2014   2015  

#  of  te

sts  Sanger  vs  Exomes  

Sanger  

Exomes  

Page 11: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Next  generaTon  sequencing  is  a  tool  for          diagnosis      and    differenTal  diagnosis    Accross    clinical  specialiTes  

Page 12: Whole Genome sequencing for intellectual disability
Page 13: Whole Genome sequencing for intellectual disability
Page 14: Whole Genome sequencing for intellectual disability

The  hit  rate  of  diagnosTc  exome  sequencing    (including  CNVs)    Clearly  Exceeds    The  current  diagnosTc  standard  of  clinician  driven  invesTgaTon    

An  inconvenient  truth  

Page 15: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Targeted  analysis  across  5  diagnosTc  groups  

Compare  with  clinical  diagnosTc  pracTce  2011  

Neveling  et  al.  Human  Muta:on  2013  

Page 16: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Severe  intellectual  disability,  auTsm  

Lessons  from  doing  exomes  

-­‐ Midface  hypoplasia  -­‐ Broad  nasal  bridge  One  abnormal  ear  

   Unilateral  deafness      Unilateral  facial  palsy  

Page 17: Whole Genome sequencing for intellectual disability

CHD7    de  novo  mutaHon          >    CHARGE  syndrome!  

Severe  intellectual  disability,  auTsm   -­‐ Midface  hypoplasia  -­‐ Broad  nasal  bridge  One  abnormal  ear  

   Unilateral  deafness      Unilateral  facial  palsy  

Page 18: Whole Genome sequencing for intellectual disability

 Doctors  are  great;    exomes  are  beVer    

Lessons  

Page 19: Whole Genome sequencing for intellectual disability
Page 20: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Doctors  are  good;    Exomes  are  beeer    In  diagnosTc  exomes  /  genomes:  

 Diagnosis  =  Discovery    InterpreTng  noncoding  informaTon  is  sTll  hard    For  rare  diseases  matchmaking  is  key!  

   Genomes  make  us  rethink  nosology    

Lessons  we  learned    

Page 21: Whole Genome sequencing for intellectual disability

A  new  geneHc  cause  of  intellectual  disability  

Page 22: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Exome  sequencing    20.000  genes  of  Ender  and  his  parents    

 Shows  that  Ender  has  just  1  de  novo  mutaTon.      This  mutaTon  is  in  the  PACS1  gene    

Exome  sequencing    20.000  genes  of  Siebe  and  his  parents    

 Shows  that  Siebe  has  just  2  de  novo  mutaTons.      One  mutaTon  is  in  the  PACS1  gene    

New  genes  

Page 23: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Exome  sequencing    20.000  genes  of  Ender  and  his  parents    

 Shows  that  Ender  has  just  1  de  novo  mutaTon.      This  mutaTon  is  in  the  PACS1  gene    

Exome  sequencing    20.000  genes  of  Siebe  and  his  parents    

 Shows  that  Siebe  has  just  2  de  novo  mutaTons.      One  mutaTon  is  in  the  PACS1  gene    

And  they  have  the  same  PACS1  mutaTon  

Schuurs-­‐Hoeijmakers  et  al.  Am  J  Hum  Genet  2012  

Page 24: Whole Genome sequencing for intellectual disability

More  paHents  with  PACS1  Arg203Trp  mutaHon    

Page 25: Whole Genome sequencing for intellectual disability

More  matchmaking  

In  less  than  1  year:    14  new  paTents  worldwide        All  were  found  by  exome  

 Got  connected  because:    6:  The  doctor  found  the  arTcle    8:    The  mother  found  the  Facebook  group!  

Schuurs-­‐Hoeijmakers  et  al.  Am  J  Med  Genet  2015  in  press  

Page 26: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Challenge  

We  need  beeer  matchmaking  for  rare  diseases    A  system  where:    paTents  with  a  mutaTon  in  a  gene                can  be  compared  and  linked  with  other  paTents  with  the  same  disease  and  gene  

Page 27: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Databases  

Page 28: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Matchmaker  exchange  

IRDiRC,  ClinGen  and  GA4GH.  

Rehm  et  al.  Hum  MutaTon  2015  in  press  

Page 29: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Gilissen  et  al.  Nature  2014  De  Ligt  et  al.    New  England    Journal                                of  Medicine  2012  

De  Vries  et  al.    American  Journal    Human  Gene:cs  2006  

New  GeneHcTechnologies  Elucidate  Intellectual  Disability  

Page 30: Whole Genome sequencing for intellectual disability

-­‐  Reanalysis  of  data  2012-­‐2014    Beeer  mapping  algorithms    Candidate  genes  confirmed    Beeer  variant  interpretaTon  

       *    27%  Diagnosis  by  2014    -­‐  Whole  Genome  sequencing            Gilissen    et  al.  Nature  2014            *    40%  Diagnosis    mostly  coding  and  structural  variaTon    

     

Why  do  things  get  beVer  over  Hme?  

De  Ligt  et  al  NEJM  2012  -­‐  Trio  exome  sequencing  in  100  paTents  with  unexplained  ID              *  16%  Diagnosis  

Page 31: Whole Genome sequencing for intellectual disability

-­‐  Reanalysis  of  data  2012-­‐2014    Beeer  mapping  algorithms    Candidate  genes  confirmed    Beeer  variant  interpretaTon  

       *    27%  Diagnosis  by  2014    -­‐  Whole  Genome  sequencing            Gilissen    et  al.  Nature  2014            *    40%  Diagnosis    mostly  coding  and  structural  variaTon    

Nothing  non-­‐coding  that  we  understand!  

Why  do  things  get  beVer  over  Hme?  

De  Ligt  et  al  NEJM  2012  -­‐  Trio  exome  sequencing  in  100  paTents  with  unexplained  ID              *  16%  Diagnosis  

Page 32: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Majority  of  new  candidate  ID  genes  already  confirmed  

YY1  

DYNC1H1  

DEAF1  

CIC  

ZMYM6  

GRIA1  

PHIP  

WAC  

MIB1  

PPP2R5D  

KIF5C  

COL4A3BP  

EEF1A2  

MYTL1  

CAMIIKG  

ASH1L  

PSMA7  RAPGEF1  

PROX2  

LRP1  

TANC2  

TNPO2  

PHACTR  

MTF1  

GATAD2B  

CTNNB1  

AddiTonal  mutaTons   No  addiTonal  mutaTons  

DDX3X  

Page 33: Whole Genome sequencing for intellectual disability

820  ID  trios  support  8  new  genes  for  ID  

Lelieveld  et  al  under  review  

Page 34: Whole Genome sequencing for intellectual disability

TLK2  is  a  new  ID  gene    TLK2  mutaTons  previously  observed  in  Schizophrenia  

Page 35: Whole Genome sequencing for intellectual disability

DYRK1A  SCN2A  GRIN2B  SYNGAP1  CDH8  PTEN  TBL1XR1  TBR1  CTTNB1  ARID1B  GPR98  KIRREL  TCF4  NRXN1  SHANK2  SHANK3  MECP2  ANK3  

 ARID1B  SYNGAP1  CTNNB1  TCF4  STXBP1      TLK2  DEAF1  MECP2  DYRK1A  SCN2A    ANK3       STXBP1  

SYNGAP1  SCN2A  SCN1A  ARX    CDKL5  PCDH19  MAGI2  DLG1  DLG2  

Severe  Intellectual  Disability  60%?  

AuTsm  5-­‐20%  

Severe  Epilepsy  20%  

70%  

30%  

100%  50%  

??  

??  

De  novo  genes  

An  inconvenient  truth:  Genes  do  not  respect  diagnosTc  boundaries  

Schizophrenia    10%?              ANK3    DLG1            TLK2            MAGI2  DLG2  

??  

Page 36: Whole Genome sequencing for intellectual disability

>60%  of  Intellectual  disability  is  by  de  novo  gene  mutaHons    

Gilissen  et  al.  Nature,  17  July  2014  

No  diagnosis  

De  novo  SNVs  

De  novo  SVs  

Inherited  2%  

De  novo  60%  

~1000  /  20.000  genes  (5%)  are  crucial  for  the  brain  

Page 37: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Another  inconvenient  truth  

We  cannot  prevent  de  novo  mutaHons  

Page 38: Whole Genome sequencing for intellectual disability

So  should  we  offer  prenatal  tesTng  to  everyone?  

An  inconvenient  truth  

We  cannot  prevent  de  novo  mutaHons  

Non  invasive  prenatal  tesTng    NIPT  

Page 39: Whole Genome sequencing for intellectual disability

So  should  we  offer  prenatal  tesTng  to  everyone?  

An  inconvenient  truth  

We  cannot  prevent  de  novo  mutaHons  

Non  invasive  prenatal  tesTng    NIPT  

Why  offer  this  for  Down  syndrome  (risk  1/1000)  and  not  for  other  forms  of  ID    (risk  5/1000)?  

Page 40: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Another  inconvenient  truth  

There  is  one  known  risk  factor  for  de  novo  mutaHons  

Page 41: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Kong  et  al.  Nature  2011  

Page 42: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Gilissen  et  al.  Nature,  17  July  2014  

Page 43: Whole Genome sequencing for intellectual disability

A  quesHon  to  ponder  •  Should  we  offer  prenatal  diagnosis  to  everyone?  

•  Should  boys  freeze  their  sperm  at  17?  

Page 44: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Doctors  are  good;    Exomes  are  beeer    In  diagnosTc  exomes  /  genomes:  

 Diagnosis  =  Discovery    InterpreTng  noncoding  informaTon  is  hard    For  rare  diseases  matchmaking  is  key!  

   Genomes  make  us  rethink  nosology    

Lessons  we  learned    

Page 45: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Acknowledgements  Willy  Nillesen  Dorien  Lugtenberg  Helger  Ijntema  Rolph  Pfundt  Marjolein  Willemsen  Bregje  van  Bon  Tjitske  Kleefstra  Bert  de  Vries  Lisenka  Vissers  Charloee  Ockeloen  Tjitske  Kleefstra  Anneke  Vulto  –  van    Silqout      

Human  GeneWcs  ChrisTan  Gilissen  Jayne  Hehir-­‐Kwa  Joep  de  Ligt  Alex  Hoischen  Djie  Tjwan  Thung  Maartje  van  de  Vorst  Petra  de  Vries  Michael  Kwint  Irene  Janssen  Marloes  Steehouwer  Tan  Bo  Joris  Veltman    Complete  Genomics  Rick  Tearle  Robert  Klein  Richard  Leach  

Washington  University,  Sea\le  Heather  Mefford,  Gemma  Carvill  Evan  Eichler,  Bradley  Coe  

[email protected]  

Many  clinical  collaborators  

Page 46: Whole Genome sequencing for intellectual disability

Lessons  from  6000  clinical  exomes  

Han  G.  Brunner