Minimally invasive biomarkers are urgently needed to detect molecular pathology in frontotemporal dementia (FTD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Here, we show that plasma extracellular vesicles (EVs) contain quantifiable amounts of TDP-43 and full-length tau, which allow the quantification of 3-repeat (3R) and 4-repeat (4R) tau isoforms. Plasma EV TDP-43 levels and EV 3R/4R tau ratios were determined in a cohort of 704 patients, including 37 genetically and 31 neuropathologically proven cases. Diagnostic groups comprised patients with TDP-43 proteinopathy ALS, 4R tauopathy progressive supranuclear palsy, behavior variant FTD (bvFTD) as a group with either tau or TDP-43 pathology, and healthy controls. EV tau ratios were low in progressive supranuclear palsy and high in bvFTD with tau pathology. EV TDP-43 levels were high in ALS and in bvFTD with TDP-43 pathology. Both markers discriminated between the diagnostic groups with area under the curve values >0.9, and between TDP-43 and tau pathology in bvFTD. Both markers strongly correlated with neurodegeneration, and clinical and neuropsychological markers of disease severity. Findings were replicated in an independent validation cohort of 292 patients including 34 genetically confirmed cases. Taken together, the combination of EV TDP-43 levels and EV 3R/4R tau ratios may aid the molecular diagnosis of FTD, FTD spectrum disorders and ALS, providing a potential biomarker to monitor disease progression and target engagement in clinical trials.

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 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.

The cellular prion protein PrP C is necessary for prion replication, and its reduction greatly increases life expectancy in animal models of prion infection. Hence the factors controlling the levels of PrP C may represent therapeutic targets against human prion diseases. Here we performed an arrayed whole-transcriptome RNA interference screen to identify modulators of PrP C expression. We cultured human U251-MG glioblas-toma cells in the presence of 64752 unique siRNAs targeting 21584 annotated human genes, and measured PrP C using a one-pot fluorescence-resonance energy transfer immunoassay in 51128 individual microplate wells. This screen yielded 743 candidate regulators of PrP C . When downregulated, 563 of these candidates reduced and 180 enhanced PrPC expression. Recursive candidate attrition through multiple secondary screens yielded 54 novel regulators of PrP C , 9 of which were confirmed by CRISPR interference as robust regulators of PrP C biosynthesis and degradation. The phenotypes of 6 of the 9 candidates were in-verted in response to transcriptional activation using CRISPRa. The RNA-binding post-transcriptional repressor Pumilio-1 was identified as a potent limiter of PrP C expression through the degradation of PRNP mRNA. Because of its hypothesis-free design, this comprehensive genetic-perturbation screen delivers an unbiased landscape of the genes regulating PrP C levels in cells, most of which were unanticipated, and some of which may be amenable to pharmacological targeting in the context of antiprion therapies.

ABSTRACT Frontotemporal lobar degeneration (FTLD) is an umbrella term describing the neuropathology of a clinically, genetically and pathologically heterogeneous group of diseases, including frontotemporal dementia (FTD) and progressive supranuclear palsy (PSP). Among the major FTLD pathological subgroups, FTLD with TDP-43 positive inclusions (FTLD-TDP) and FTLD with tau positive inclusions (FTLD-tau) are the most common, representing about 90% of the cases. Although alterations in DNA methylation have been consistently associated with neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease, little is known for FTLD and its heterogeneous subgroups and subtypes. The main goal of this study was to investigate DNA methylation variation in FTLD-TDP and FTLD-tau. We used frontal cortex genome-wide DNA methylation profiles from three FTLD cohorts (234 individuals), generated using the Illumina 450K or EPIC microarray. We performed epigenome-wide association studies (EWAS) for each cohort followed by meta-analysis to identify shared differential methylated loci across FTLD subgroups/subtypes. Additionally, we used weighted gene correlation network analysis to identify co-methylation signatures associated with FTLD and other disease-related traits. Wherever possible, we also incorporated relevant gene/protein expression data. After accounting for a conservative Bonferroni multiple testing correction, the EWAS meta-analysis revealed two differentially methylated loci in FTLD, one annotated to OTUD4 (5’UTR-shore) and the other to NFATC1 (gene body-island). Of these loci, OTUD4 showed consistent upregulation of mRNA and protein expression in FTLD. Additionally, in the three independent co-methylation networks, OTUD4 -containing modules were enriched for EWAS meta-analysis top loci and were strongly associated with the FTLD status. These co-methylation modules were enriched for genes implicated in the ubiquitin system, RNA/stress granule formation and glutamatergic synaptic signalling. Altogether, our findings identified novel FTLD-associated loci, and support a role for DNA methylation as a mechanism involved in the dysregulation of biological processes relevant to FTLD, highlighting novel potential avenues for therapeutic development.

Abstract Frontotemporal lobar degeneration (FTLD) includes a heterogeneous group of disorders pathologically characterized by the degeneration of the frontal and temporal lobes. In addition to major genetic contributors of FTLD such as mutations in MAPT, GRN , and C9orf72 , recent work has identified several epigenetic modifications including significant differential DNA methylation in DLX1 , and OTUD4 loci. As aging remains to be one of the major risk factors for FTLD, we investigated the presence of accelerated epigenetic aging in FTLD compared to controls. We calculated epigenetic age in both peripheral blood and brain tissues of multiple FTLD subtypes using several DNA methylation clocks, i.e., DNAmClock Multi , DNAmClock Hannum , DNAmClock Cortical , GrimAge and PhenoAge, and determined age acceleration and its association with different cellular proportions and clinical traits. Significant epigenetic age acceleration was observed in the peripheral blood of both frontotemporal dementia (FTD) and progressive supranuclear palsy (PSP) patients compared to controls with DNAmClock Hannum , even after accounting for confounding factors. A similar trend was observed with both DNAmClock Multi and DNAmClock Cortical in post-mortem frontal cortex tissue of PSP patients and in FTLD cases harboring GRN mutations. Our findings support that increased epigenetic age acceleration in the peripheral blood could be an indicator for PSP and to a smaller extent, FTD.

Abstract Understanding the molecular mechanisms underlying frontotemporal dementia (FTD) is essential for the development of successful therapies. Systematic studies on human post-mortem brain tissue of patients with genetic subtypes of FTD are currently lacking. The Risk and Modyfing Factors of Frontotemporal Dementia (RiMod-FTD) consortium therefore has generated a multi-omics dataset for genetic subtypes of FTD to identify common and distinct molecular mechanisms disturbed in disease. Here, we present multi-omics datasets generated from the frontal lobe of post-mortem human brain tissue from patients with mutations in MAPT, GRN and C9orf72 and healthy controls. This data resource consists of four datasets generated with different technologies to capture the transcriptome by RNA-seq, and small RNA-seq, and supplemented this date with CAGE-seq, and methylation profiling. We show concrete examples on how to use the resulting data and confirm current knowledge about FTD and identify new processes for further investigation. This extensive multi-omics dataset holds great value to reveal new research avenues for this devastating disease.

Parkinson's disease (PD) and progressive supranuclear palsy (PSP) are clinically similar neurodegenerative movement disorders that display unique neuropathological features (i.e. Lewy body pathology and Tau pathology, respectively). While each disorder has distinct clinical and genetic risk factors, both are associated with the MAPT 17q.21.31 locus H1 haplotype. This suggests a pleiotropic effect of this genomic region. To better understand the genetic contribution of this region to these diseases, we fine-mapped the apparent pleiotropy of this locus. Our study indicates that PD and PSP are associated with different sub-haplotypes of the H1 clade. PD-associated sub-haplotypes were associated with altered LRRC37A copy number and expression, which, like other PD risk-associated genes, we hypothesize to be most relevant to astroglial function. In contrast, PSP was associated with grossly altered LD structure across the 17q21.31 locus, and risk-associated variants were found to impact chromatin structure in both neurons and microglia. We conclude that the contribution of the 17q21.31 locus to multiple disorders is a result of its structural and haplotypic complexity, which in turn impacts the regulation of multiple genes and neural cell types. This raises the possibility of novel disease-specific pathogenic mechanisms driven by 17q21.31 structural variation and altered epigenetic regulation that appear to converge on glial function and gene expression. By fine-mapping the association of H1 with PD and PSP, we have begun to untangle the apparent pleiotropy of this locus, and gain better insight into the mechanism of each disease, which will guide future functional analyses and disease models for PD and PSP.

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.

Genetic variants underlying complex traits, including disease susceptibility, are enriched within the transcriptional regulatory elements, promoters and enhancers. There is emerging evidence that regulatory elements associated with particular traits or diseases share patterns of transcriptional regulation. Accordingly, shared transcriptional regulation (coexpression) may help prioritise loci associated with a given trait, and help to identify the biological processes underlying it. Using cap analysis of gene expression (CAGE) profiles of promoter- and enhancer-derived RNAs across 1824 human samples, we have quantified coexpression of RNAs originating from trait-associated regulatory regions using a novel analytical method (network density analysis; NDA). For most traits studied, sequence variants in regulatory regions were linked to tightly coexpressed networks that are likely to share important functional characteristics. These networks implicate particular cell types and tissues in disease pathogenesis; for example, variants associated with ulcerative colitis are linked to expression in gut tissue, whereas Crohn's disease variants are restricted to immune cells. We show that this coexpression signal provides additional independent information for fine mapping likely causative variants. This approach identifies additional genetic variants associated with specific traits, including an association between the regulation of the OCT1 cation transporter and genetic variants underlying circulating cholesterol levels. This approach enables a deeper biological understanding of the causal basis of complex traits.