We performed the largest genome-wide association study of PD to date, involving the analysis of 7.8M SNPs in 37.7K cases, 18.6K UK Biobank proxy-cases, and 1.4M controls. We identified 90 independent genome-wide significant signals across 78 loci, including 38 independent risk signals in 37 novel loci. These variants explained 26-36% of the heritable risk of PD. Tests of causality within a Mendelian randomization framework identified putatively causal genes for 70 risk signals. Tissue expression enrichment analysis suggested that signatures of PD loci were heavily brain-enriched, consistent with specific neuronal cell types being implicated from single cell expression data. We found significant genetic correlations with brain volumes, smoking status, and educational attainment. In sum, these data provide the most comprehensive understanding of the genetic architecture of PD to date by revealing many additional PD risk loci, providing a biological context for these risk factors, and demonstrating that a considerable genetic component of this disease remains unidentified.

Abstract One of the most common genetic risk factors for Parkinson’s disease (PD) are variants in GBA1 , which encodes the lysosomal enzyme glucocerebrosidase (GCase). GCase deficiency has been associated with an increased PD risk, but not all individuals with low GCase activity are carriers of GBA1 mutations, suggesting other factors may be acting as modifiers. We aimed to discover common variants associated with GCase activity, as well as replicate previously reported associations, by performing a genome-wide association study using two independent cohorts: a Columbia University cohort consisting of 697 PD cases and 347 controls and the Parkinson’s Progression Markers Initiative (PPMI) cohort consisting of 357 PD cases and 163 controls. As expected, GBA1 variants have the strongest association with decreased activity, led by p.N370S (beta = -4.36, se = 0.32, p = 5.05e-43). We also identify a novel association in the GAA locus (encoding for acid alpha-glucosidase, beta = -0.96, se = 0.17, p = 5.23e-09) that may be the result of an interaction between GCase and acid alpha-glucosidase based on various interaction analyses. Lastly, we show that several PD-risk loci are potentially associated with GCase activity. Further research will be needed to replicate and validate our findings and to uncover the functional connection between acid alpha-glucosidase and GCase.

Increasing evidence supports an extensive and complex genetic contribution to Parkinson's disease (PD). Previous genome-wide association studies (GWAS) have shed light on the genetic basis of risk for this disease. However, the genetic determinants of PD age of onset are largely unknown. Here we performed an age of onset GWAS based on 28,568 PD cases. We estimated that the heritability of PD age of onset due to common genetic variation was ~0.11, lower than the overall heritability of risk for PD (~0.27) likely in part because of the subjective nature of this measure. We found two genome-wide significant association signals, one at SNCA and the other a protein-coding variant in TMEM175, both of which are known PD risk loci and a Bonferroni corrected significant effect at other known PD risk loci, INPP5F/BAG3, FAM47E/SCARB2, and MCCC1. In addition, we identified that GBA coding variant carriers had an earlier age of onset compared to non-carriers. Notably, SNCA, TMEM175, SCARB2, BAG3 and GBA have all been shown to either directly influence alpha-synuclein aggregation or are implicated in alpha-synuclein aggregation pathways. Remarkably, other well-established PD risk loci such as GCH1, MAPT and RAB7L1/NUCKS1 (PARK16) did not show a significant effect on age of onset of PD. While for some loci, this may be a measure of power, this is clearly not the case for the MAPT locus; thus genetic variability at this locus influences whether but not when an individual develops disease. We believe this is an important mechanistic and therapeutic distinction. Furthermore, these data support a model in which alpha-synuclein and lysosomal mechanisms impact not only PD risk but also age of disease onset and highlights that therapies that target alpha-synuclein aggregation are more likely to be disease-modifying than therapies targeting other pathways.

Background: Improper randomization in clinical trials can result in the failure of the trial to meet its primary end-point. The last ~10 years have revealed that common and rare genetic variants are an important disease factor and sometimes account for a substantial portion of disease risk variance. However, the burden of common genetic risk variants is not often considered in the randomization of clinical trials and can therefore lead to additional unwanted variance between trial arms. We simulated clinical trials to estimate false negative and false positive rates and investigated differences in single variants and mean genetic risk scores (GRS) between trial arms to investigate the potential effect of genetic variance on clinical trial outcomes at different sample sizes. Methods: Single variant and genetic risk score analyses were conducted in a clinical trial simulation environment using data from 5851 Parkinson's Disease patients as well as two simulated virtual cohorts based on public data. The virtual cohorts included a GBA variant cohort and a two variant interaction cohort. Data was resampled at different sizes (n=200-5000 for the Parkinson's Disease cohort) and (n=50-800 and n=50-2000 for virtual cohorts) for 1000 iterations and randomly assigned to the two arms of a trial. False negative and false positive rates were estimated using simulated clinical trials, and percent difference in genetic risk score and allele frequency was calculated to quantify disparity between arms. Results: Significant genetic differences between the two arms of a trial are found at all sample sizes. Approximately 90% of the iterations had at least one statistically significant difference in individual risk SNPs between each trial arm. Approximately 10% of iterations had a statistically significant difference between trial arms in polygenic risk score mean or variance. For significant iterations at sample size 200, the average percent difference for mean GRS between trial arms was 130.87%, decreasing to 29.87% as sample size reached 5000. By using simulated drug effects, we found that unbalanced genetics with an effect on the chosen measurable clinical outcome can result in high false negative rates among trials, especially at small sample sizes. At a sample size of n=50 and a targeted drug effect of -0.5 points in UPDRS per year, we found 35.0% of trials resulted in false negatives. In the GBA only simulations we see an average 18.86% difference in GRS scores between trial arms at n=50, decreasing to 3.09% as sample size reaches 2000. Balancing patients by genotype reduced mean percent difference in GRS between arms to 8.16% for the main cohort and 2.00% for the GBA cohort at n=200. Conclusions: Our data support the hypothesis that within genetically unmatched clinical trials, particularly those below 1000 participants, heterogeneity could confound true therapeutic effects as expected. This is particularly important in the changing environment of drug approvals. Clinical trials should undergo pre-trial genetic adjustment or, at the minimum, post-trial adjustment and analysis for failed trials. Clinical trial arms should be balanced on genetic risk variants, as well as cumulative variant distributions represented by GRS, in order to ensure the maximum reduction in trial arm disparities. The reduction in variance after balancing allows smaller sample sizes to be utilized without risking the large disparities between trial arms witnessed in typical randomized trials. As the cost of genotyping will likely be far less than greatly increasing sample size, genetically balancing trial arms can lead to more cost-effective clinical trials as well as better outcomes.

Parkinson's disease (PD) is a neurodegenerative disease with an often complex genetic component identifiable by genome-wide association studies (GWAS). The most recent large scale PD GWASes have identified more than 90 independent risk variants for PD risk and progression across 80 loci. One major challenge in current genomics is identifying the causal gene(s) and variant(s) from each GWAS locus. Here we present a GWAS locus browser application that combines data from multiple databases to aid in the prioritization of genes associated with PD GWAS loci. We included 92 independent genome-wide significant signals from multiple recent PD GWAS studies including the PD risk GWAS, age-at-onset GWAS and progression GWAS. We gathered data for all 2336 genes within 1Mb up and downstream of each variant to allow users to assess which gene(s) are most associated with the variant of interest based on a set of self-ranked criteria. Our aim is that the information contained in this browser (https://pdgenetics.shinyapps.io/GWASBrowser/) will assist the PD research community with the prioritization of genes for follow-up functional studies and as potential therapeutic targets.

Objective: REM-sleep behavior disorder (RBD) is a prodromal synucleinopathy, as >80% will eventually convert to overt synucleinopathy. We performed an in-depth analysis of the SNCA locus to identify RBD-specific risk variants. Methods: Full sequencing and genotyping of SNCA was performed in isolated/idiopathic RBD (iRBD, n=1,076), Parkinson's disease (PD, n=1,013), and dementia with Lewy bodies (DLB, n=415), and in control subjects (n=6,155). A replication cohort from 23andMe of PD patients with probable RBD (pRBD) was also analyzed (cases n=1,782, controls n=131,250). Adjusted logistic regression models and meta-analyses were performed. Effects on conversion rate were analyzed in 432 RBD patients with available data using Kaplan-Meier survival analysis. Results: A 5'-region SNCA variant (rs10005233) was associated with iRBD (OR=1.43, p=1.1E-08), which was replicated in pRBD. This variant is in linkage disequilibrium (LD) with other 5' risk variants across the different synucleinopathies. An independent iRBD-specific suggestive association (rs11732740) was detected at the 3' of SNCA (OR=1.32, p=4.7E-04, not statistically significant after Bonferroni correction). Homozygous carriers of both iRBD-specific SNPs were at highly increased risk for iRBD (OR=5.74, p=2E-06). The known top PD-associated variant (3' variant rs356182) had an opposite direction of effect in iRBD compared to PD. Interpretation: There is a distinct pattern of association at the SNCA locus in RBD as compared to PD, with an opposite direction of effect at the 3' of SNCA. Several 5' SNCA variants are associated with iRBD and with pRBD in overt synucleinopathies, and may suggest a cognitive component to this region.

Objective We aimed to study the role of coding VPS13C variants in a large cohort of late-onset PD (LOPD) patients.Methods VPS13C and its untranslated regions were sequenced using targeted next-generation sequencing in 1,567 PD patients and 1,667 controls from 3 cohorts. Association tests of rare potential homozygous and compound heterozygous variants and burden tests for rare heterozygous variants were performed. Common variants were analyzed using logistic regression adjusted for age and sex in each of the cohorts, followed by a meta-analysis.Results No bi-allelic carriers of rare VPS13C variants were found among patients and two carriers of compound heterozygous variants were found in two controls. There was no statistically significant burden of rare (MAF<1%) or very rare (MAF<0.1%) coding VPS13C variants in PD. A VPS13C haplotype including the p.R153H-p.I398I-p.I1132V-p.Q2376Q variants was nominally associated with a reduced risk for PD (meta-analysis of the tagging SNP p.I1132V (OR=0.48, 95%CI=0.28-0.82, p =0.0052). This haplotype was not in linkage disequilibrium (LD) with the known genome-wide association study (GWAS) top hit.Conclusions Our results do not support a role for rare heterozygous or bi-allelic VPS13C variants in LOPD. Additional genetic replication and functional studies are needed to examine the role of the haplotype identified here associated with reduced risk for PD.

Parkinson disease (PD) is a genetically complex disorder. Multiple genes have been shown to contribute to the risk of PD, and currently 90 independent risk variants have been identified by genome-wide association studies. Thus far, a number of genes (including SNCA, LRRK2, and GBA) have been shown to contain variability across a spectrum of frequency and effect, from rare, highly penetrant variants to common risk alleles with small effect sizes. Variants in GBA, encoding the enzyme glucocerebrosidase, are associated with Lewy body diseases such as PD and Lewy body dementia (LBD). These variants, which reduce or abolish enzymatic activity, confer a spectrum of disease risk, from 1.4- to >10-fold. An outstanding question in the field is what other genetic factors that influence GBA-associated risk for disease, and whether these overlap with known PD risk variants. Using multiple, large case-control datasets, totalling 217,165 individuals (22,757 PD cases, 13,431 PD proxy cases, 622 LBD cases and 180,355 controls), we identified 1,772 PD cases, 711 proxy cases and 7,624 controls with a GBA variant (p.E326K, p.T369M or p.N370S). We performed a genome-wide association study and analysed the most recent PD-associated genetic risk score to detect genetic influences on GBA risk and age at onset. We attempted to replicate our findings in two independent datasets, including the personal genetics company 23andMe, Inc. and whole-genome sequencing data. Our analysis showed that the overall PD genetic risk score modifies risk for disease and decreases age at onset in carriers of GBA variants. Notably, this effect was consistent across all tested GBA risk variants. Dissecting this signal demonstrated that variants in close proximity to SNCA and CTSB (encoding cathepsin B) are the most significant contributors. Risk variants in the CTSB locus were identified to decrease mRNA expression of CTSB. Additional analyses suggest a possible genetic interaction between GBA and CTSB and GBA p.N370S neurons were shown to have decreased Cathepsin B expression compared to controls. These data provide a genetic basis for modification of GBA-associated PD risk and age at onset and demonstrate that variability at genes implicated in lysosomal function exerts the largest effect on GBA associated risk for disease. Further, these results have important implications for selection of GBA carriers for therapeutic interventions