The excision of introns from pre-mRNA is an essential step in mRNA processing. We developed LeafCutter to study sample and population variation in intron splicing. LeafCutter identifies variable splicing events from short-read RNA-seq data and finds events of high complexity. Our approach obviates the need for transcript annotations and circumvents the challenges in estimating relative isoform or exon usage in complex splicing events. LeafCutter can be used both to detect differential splicing between sample groups and to map splicing quantitative trait loci (sQTLs). Compared with contemporary methods, our approach identified 1.4–2.1 times more sQTLs, many of which helped us ascribe molecular effects to disease-associated variants. Transcriptome-wide associations between LeafCutter intron quantifications and 40 complex traits increased the number of associated disease genes at a 5% false discovery rate by an average of 2.1-fold compared with that detected through the use of gene expression levels alone. LeafCutter is fast, scalable, easy to use, and available online. LeafCutter is a new tool that identifies variable intron splicing events from RNA-seq data for analysis of complex alternative splicing. The method does not require transcript annotation and can be used to map splicing quantitative trait loci.

Late-onset ataxia is common, often idiopathic, and can result from cerebellar, proprioceptive, or vestibular impairment; when in combination, it is also termed cerebellar ataxia, neuropathy, vestibular areflexia syndrome (CANVAS). We used non-parametric linkage analysis and genome sequencing to identify a biallelic intronic AAGGG repeat expansion in the replication factor C subunit 1 (RFC1) gene as the cause of familial CANVAS and a frequent cause of late-onset ataxia, particularly if sensory neuronopathy and bilateral vestibular areflexia coexist. The expansion, which occurs in the poly(A) tail of an AluSx3 element and differs in both size and nucleotide sequence from the reference (AAAAG)11 allele, does not affect RFC1 expression in patient peripheral and brain tissue, suggesting no overt loss of function. These data, along with an expansion carrier frequency of 0.7% in Europeans, implies that biallelic AAGGG expansion in RFC1 is a frequent cause of late-onset ataxia. Biallelic expansion of an intronic AAGGG repeat in RFC1 is identified here as a common cause of late-onset ataxia. This expansion occurs in the poly(A) tail of an AluSx3 element and is observed at a carrier frequency of 0.7% in populations of European ancestry.

Here we use deep sequencing to identify sources of variation in mRNA splicing in the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) of 450 subjects from two aging cohorts. Hundreds of aberrant pre-mRNA splicing events are reproducibly associated with Alzheimer’s disease. We also generate a catalog of splicing quantitative trait loci (sQTL) effects: splicing of 3,006 genes is influenced by genetic variation. We report that altered splicing is the mechanism for the effects of the PICALM, CLU and PTK2B susceptibility alleles. Furthermore, we performed a transcriptome-wide association study and identified 21 genes with significant associations with Alzheimer’s disease, many of which are found in known loci, whereas 8 are in novel loci. These results highlight the convergence of old and new genes associated with Alzheimer’s disease in autophagy–lysosomal-related pathways. Overall, this study of the transcriptome of the aging brain provides evidence that dysregulation of mRNA splicing is a feature of Alzheimer’s disease and is, in some cases, genetically driven. Analysis of mRNA splicing in the dorsolateral prefrontal cortex from two cohorts established to study aging identifies variations in pre-mRNA splicing events that are associated with Alzheimer’s disease.

Variants of UNC13A, a critical gene for synapse function, increase the risk of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia

Abstract Microglial cells have emerged as potential key players in brain aging and pathology. To capture the heterogeneity of microglia across ages and regions, and to understand how genetic risk for neurological and psychiatric brain disorders is related to microglial function, large transcriptome studies are essential. Here, we describe the transcriptome analysis of 255 primary human microglia samples isolated at autopsy from multiple brain regions of 100 human subjects. We performed systematic analyses to investigate various aspects of microglial heterogeneities, including brain region, age and sex. We mapped expression and splicing quantitative trait loci and showed that many neurological disease susceptibility loci are mediated through gene expression or splicing in microglia. Fine-mapping of these loci nominated candidate causal variants that are within microglia-specific enhancers, including novel associations with microglia expression of USP6NL for Alzheimer’s disease, and P2RY12 for Parkinson’s disease. In summary, we have built the most comprehensive catalog to date of genetic effects on the microglia transcriptome and propose molecular mechanisms of action of candidate functional variants in several neurological and psychiatric diseases.

Abstract Variants within the UNC13A gene have long been known to increase risk of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD), two related neurodegenerative diseases defined by mislocalization of the RNA-binding protein TDP-43. Here, we show that TDP-43 depletion induces robust inclusion of a cryptic exon (CE) within UNC13A , a critical synaptic gene, resulting in nonsense-mediated decay and protein loss. Strikingly, two common polymorphisms strongly associated with ALS/FTD risk directly alter TDP-43 binding within the CE or downstream intron, increasing CE inclusion in cultured cells and in patient brains. Our findings, which are the first to demonstrate a genetic link specifically between loss of TDP-43 nuclear function and disease, reveal both the mechanism by which UNC13A variants exacerbate the effects of decreased nuclear TDP-43 function, and provide a promising therapeutic target for TDP-43 proteinopathies. One-Sentence Summary Shared ALS/FTD risk variants increase the sensitivity of a cryptic exon in the synaptic gene UNC13A to TDP-43 depletion.

Abstract Summary echolocatoR integrates a diverse suite of statistical and functional fine-mapping tools in order to identify, test enrichment in, and visualize high-confidence causal consensus variants in any phenotype. It requires minimal input from users (a summary statistics file), can be run in a single R function, and provides extensive access to relevant datasets (e.g. reference linkage disequilibrium (LD) panels, quantitative trait loci (QTL) datasets, genome-wide annotations, cell type-specific epigenomics, thereby enabling rapid, robust and scalable end-to-end fine-mapping investigations. Availability and implementation echolocatoR is an open-source R package available through GitHub under the MIT license: https://github.com/RajLabMSSM/echolocatoR

Summary Mutations in the RNA binding protein (RBP) FUS cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and result in its nuclear depletion and cytoplasmic mislocalisation, with cytoplasmic gain of function thought to be crucial in pathogenesis. Here, we show that expression of mutant FUS at physiological levels drives translation inhibition in both mouse and human motor neurons. Rather than acting directly on the translation machinery, we find that mutant FUS forms cytoplasmic condensates that promote the phase separation of FMRP, another RBP associated with neurodegeneration and robustly involved in translation regulation. FUS and FMRP co-partition and repress translation in vitro . In our in vivo model, FMRP RNA targets are depleted from ribosomes. Our results identify a novel paradigm by which FUS mutations favour the condensed state of other RBPs, impacting on crucial biological functions, such as protein translation.

Abstract Mutations in the RNA-binding protein FUS cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a devastating neurodegenerative disease in which the loss of motor neurons induces progressive weakness and death from respiratory failure, typically only 3-5 years after onset. FUS plays a role in numerous aspects of RNA metabolism, including mRNA splicing. However, the impact of ALS-causative mutations on splicing has not been fully characterised, as most disease models have been based on FUS overexpression, which in itself alters its RNA processing functions. To overcome this, we and others have recently created knock-in models, and have generated high depth RNA-sequencing data on FUS mutants in parallel to FUS knockout. We combined three independent datasets with a joint modelling approach, allowing us to compare the mutation-induced changes to genuine loss of function. We find that FUS ALS-mutations induce a widespread loss of function on expression and splicing, with a preferential effect on RNA binding proteins. Mutant FUS induces intron retention changes through RNA binding, and we identify an intron retention event in FUS itself that is associated with its autoregulation. Altered FUS regulation has been linked to disease, and intriguingly, we find FUS autoregulation to be altered not only by FUS mutations, but also in other genetic forms of ALS, including those caused by TDP-43, VCP and SOD1 mutations, supporting the concept that multiple ALS genes interact in a regulatory network.

Abstract An increasing number of identified Parkinson’s disease (PD) risk loci contain genes highly expressed in innate immune cells, yet their potential role in pathological mechanisms is not obvious. We have generated transcriptomic profiles of CD14 + monocytes from 230 individuals with sporadic PD and age-matched healthy subjects. We identified dysregulation of genes involved in mitochondrial and proteasomal function. We also generated transcriptomic profiles of primary microglia from autopsied brains of 55 PD and control subjects and observed discordant transcriptomic signatures of mitochondrial genes in PD monocytes and microglia. We further identified PD susceptibility genes, whose expression, relative to each risk allele, is altered in monocytes. These findings reveal that transcriptomic mitochondrial alterations are detectable in PD monocytes and are distinct from brain microglia, and facilitates efforts to understand the roles of myeloid cells in PD.