Abstract Background Several reports have identified different patterns of Parkinson’s disease progression in individuals carrying missense variants in the GBA or LRRK2 genes. The overall contribution of genetic factors to the severity and progression of Parkinson’s disease, however, has not been well studied. Objectives To test the association between genetic variants and the clinical features and progression of Parkinson’s disease on a genome-wide scale. Methods We accumulated individual data from 12 longitudinal cohorts in a total of 4,093 patients with 25,254 observations over a median of 3.81 years. Genome-wide associations were evaluated for 25 cross-sectional and longitudinal phenotypes. Specific variants of interest, including 90 recently-identified disease risk variants, were also investigated for the associations with these phenotypes. Results Two variants were genome-wide significant. Rs382940(T>A), within the intron of SLC44A1 , was associated with reaching Hoehn and Yahr stage 3 or higher faster (HR 2.04 [1.58, 2.62], P-value = 3.46E-8). Rs61863020(G>A), an intergenic variant and eQTL for ADRA2A , was associated with a lower prevalence of insomnia at baseline (OR 0.63 [0,52, 0.75], P-value = 4.74E-8). In the targeted analysis, we found nine associations between known Parkinson’s risk variants and more severe motor/cognitive symptoms. Also, we replicated previous reports of GBA coding variants (rs2230288: p.E365K, rs75548401: p.T408M) being associated with greater motor and cognitive decline over time, and APOE E4 tagging variant (rs429358) being associated with greater cognitive deficits in patients. Conclusions We identified novel genetic factors associated with heterogeneity of progression in Parkinson’s disease. The results provide new insights into the pathogenesis of Parkinson’s disease as well as patient stratification for clinical trials.

Abstract The genetic basis of Lewy body dementia (LBD) is not well understood. Here, we performed whole-genome sequencing in large cohorts of LBD cases and neurologically healthy controls to study the genetic architecture of this understudied form of dementia and to generate a resource for the scientific community. Genome-wide association analysis identified five independent risk loci, whereas genome-wide gene-aggregation tests implicated mutations in the gene GBA . Genetic risk scores demonstrate that LBD shares risk profiles and pathways with Alzheimer’s and Parkinson’s disease, providing a deeper molecular understanding of the complex genetic architecture of this age-related neurodegenerative condition.

Abstract The FOUNdational Data INitiative for Parkinson’s Disease (FOUNDIN-PD) is an international collaboration producing fundamental resources for Parkinson’s disease (PD). FOUNDIN-PD generated a multi-layered molecular dataset in a cohort of induced pluripotent stem cell (iPSC) lines differentiated to dopaminergic (DA) neurons, a major affected cell type in PD. The lines were derived from the Parkinson’s Progression Markers Initiative study including participants with PD carrying monogenic PD ( SNCA ) variants, variants with intermediate effects and variants identified by genome-wide association studies and unaffected individuals. We generated genetic, epigenetic, regulatory, transcriptomic, and longitudinal cellular imaging data from iPSC-derived DA neurons to understand molecular relationships between disease associated genetic variation and proximate molecular events. These data reveal that iPSC-derived DA neurons provide a valuable cellular context and foundational atlas for modelling PD genetic risk. We have integrated these data into a FOUNDIN-PD data browser ( https://www.foundinpd.org ) as a resource for understanding the molecular pathogenesis of PD.

Abstract Parkinson’s disease is a complex neurodegenerative disorder, affecting approximately one million individuals in the USA alone. A significant proportion of risk for Parkinson’s disease is driven by genetics. Despite this, the majority of the common genetic variation that contributes to disease risk is unknown, in-part because previous genetic studies have focussed solely on the contribution of single nucleotide variants. Structural variants represent a significant source of genetic variation in the human genome. However, because assay of this variability is challenging, structural variants have not been cataloged on a genome-wide scale, and their contribution to the risk of Parkinson’s disease remains unknown. In this study, we 1) leveraged the GATK-SV pipeline to detect and genotype structural variants in 7,772 short-read sequencing data and 2) generated a subset of matched whole-genome Oxford Nanopore Technologies long-read sequencing data from the PPMI cohort to allow for comprehensive structural variant confirmation. We detected, genotyped, and tested 3,154 “high-confidence” common structural variant loci, representing over 412 million nucleotides of non-reference genetic variation. Using the long-read sequencing data, we validated three structural variants that may drive the association signals at known Parkinson’s disease risk loci, including a 2kb intronic deletion within the gene LRRN4 . Further, we confirm that the majority of structural variants in the human genome cannot be detected using short-read sequencing alone, encompassing on average around 4 million nucleotides of inaccessible sequence per genome. Therefore, although these data provide the most comprehensive survey of the contribution of structural variants to the genetic risk of Parkinson’s disease to date, this study highlights the need for large-scale long-read datasets to fully elucidate the role of structural variants in Parkinson’s disease.

Abstract Studies of the genetic basis of Parkinson’s disease (PD) have identified many disease-associated genetic variants, but the mechanisms linking variants to pathogenicity are largely unknown. PD risk is attributed to both coding mutations in the Leucine-rich repeat kinase 2 ( LRRK2 ) gene and to common non-coding variation upstream of the LRRK2 locus. Here we show that the influence of genotype at non-coding variant rs76904798 on LRRK2 expression is propagated specifically through microglia, in contrast to evaluations based on general rather than genotype-dependent expression. We find evidence of microglia-specific regulatory regions that may modulate LRRK2 expression using single nuclei sequencing analyses of human frontal cortex and confirm these results in a human induced pluripotent stem cell-derived microglia model. Our study demonstrates that cell type is an important consideration in interrogation of the role of non-coding variation in disease pathogenesis.

The genetic basis of variation in the rate of disease progression of primary tauopathies has not been determined. In two independent progressive supranuclear palsy cohorts, we show that common variation at the LRRK2 locus determines survival from motor symptom onset to death, possibly through regulation of gene expression. This links together genetic risk in alpha-synuclein and tau disorders, and suggests that modulation of proteostasis and neuro-inflammation by LRRK2 inhibitors may have a therapeutic role across disorders.

SPTLC1 encodes a critical subunit of serine palmitoyltransferase, the enzyme catalyzing the first and rate-limiting step in de novo sphingolipid biosynthesis, and mutations in this gene are known to cause hereditary sensory autonomic neuropathy, type 1A . Using exome sequencing, we identified a de novo variant in SPTLC1 resulting in a p.Ala20Ser amino acid change in an individual diagnosed with juvenile-onset amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and confirmed its pathogenicity by showing elevated plasma levels of neurotoxic deoxymethyl-sphinganine. A second case of juvenile-onset ALS arising again from a p.Ala20Ser mutation was later identified, confirming the association of SPTLC1 with this form of motor neuron disease. We also found SPTLC1 mutations in 0.34% of 5,607 ALS cases, and immunohistochemically confirmed the expression of SPTLC1 in spinal cord motor neurons, supporting their role in the pathogenesis of this fatal neurological disease. We corrected the toxicity of deoxymethyl-sphinganine in HEK293FT cells using L-serine supplementation. Our data broaden the phenotype associated with SPTLC1 and suggest that nutritional supplementation with serine may be beneficial if instituted at an early stage among patients carrying mutations in SPTLC1 .

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.

Background: The Iberian peninsula stands out as having variable levels of population admixture and isolation, making Spain an interesting setting for studying the genetic architecture of neurodegenerative diseases. Objectives: To perform the largest Parkinson disease (PD) genome-wide association study (GWAS) restricted to a single country. Methods: We performed a GWAS for both risk of PD and age at onset (AAO) in 7,849 Spanish individuals. Further analyses included population-specific risk haplotype assessments, polygenic risk scoring through machine learning, Mendelian randomization of expression and methylation data to gain insight into disease-associated loci, heritability estimates, genetic correlations and burden analyses. Results: We identified a novel population-specific GWAS signal at PARK2 associated with AAO. We replicated four genome-wide independent signals associated with PD risk, including SNCA, LRRK2, KANSL1/MAPT and HLA-DQB1. A significant trend for smaller risk haplotypes at known loci was found compared to similar studies of non-Spanish origin. Seventeen PD-related genes showed functional consequence via two-sample Mendelian randomization in expression and methylation datasets. Long runs of homozygosity at 28 known genes/loci were found to be enriched in cases versus controls. Conclusions: Our data demonstrate the utility of the Spanish risk haplotype substructure for future fine-mapping efforts, showing how leveraging unique and diverse population histories can benefit genetic studies of complex diseases. The present study points to PARK2 as a major hallmark of PD etiology in Spain.

ABSTRACT Mitochondrial dysfunction has been implicated in the aetiology of monogenic Parkinson’s disease (PD). Yet the role that mitochondrial processes play in the most common form of the disease; sporadic PD, is yet to be fully established. Here we comprehensively assessed the role of mitochondrial function associated genes in sporadic PD by leveraging improvements in the scale and analysis of PD GWAS data with recent advances in our understanding of the genetics of mitochondrial disease. First, we identified that a proportion of the “missing heritability” of the PD can be explained by common variation within genes implicated in mitochondrial disease (primary gene list) and mitochondrial function (secondary gene list). Next we calculated a mitochondrial-specific polygenic risk score (PRS) and showed that cumulative small effect variants within both our primary and secondary gene lists are significantly associated with increased PD risk. Most significantly we further report that the PRS of the secondary mitochondrial gene list was significantly associated with later age at onset. Finally, to identify possible functional genomic associations we implemented Mendelian randomisation, which showed that 14 of these mitochondrial function associated genes showed functional consequence associated with PD risk. Further analysis suggested that the 14 identified genes are not only involved in mitophagy but implicate new mitochondrial processes. Our data suggests that therapeutics targeting mitochondrial bioenergetics and proteostasis pathways distinct from mitophagy could be beneficial to treating the early stage of PD.