Summary

Background

 Emerging evidence shows that α-synuclein seed amplification assays (SAAs) have the potential to differentiate people with Parkinson's disease from healthy controls. We used the well characterised, multicentre Parkinson's Progression Markers Initiative (PPMI) cohort to further assess the diagnostic performance of the α-synuclein SAA and to examine whether the assay identifies heterogeneity among patients and enables the early identification of at-risk groups. 

Methods

 This cross-sectional analysis is based on assessments done at enrolment for PPMI participants (including people with sporadic Parkinson's disease from LRRK2 and GBA variants, healthy controls, prodromal individuals with either rapid eye movement sleep behaviour disorder (RBD) or hyposmia, and non-manifesting carriers of LRRK2 and GBA variants) from 33 participating academic neurology outpatient practices worldwide (in Austria, Canada, France, Germany, Greece, Israel, Italy, the Netherlands, Norway, Spain, the UK, and the USA). α-synuclein SAA analysis of CSF was performed using previously described methods. We assessed the sensitivity and specificity of the α-synuclein SAA in participants with Parkinson's disease and healthy controls, including subgroups based on genetic and clinical features. We established the frequency of positive α-synuclein SAA results in prodromal participants (RBD and hyposmia) and non-manifesting carriers of genetic variants associated with Parkinson's disease, and compared α-synuclein SAA to clinical measures and other biomarkers. We used odds ratio estimates with 95% CIs to measure the association between α-synuclein SAA status and categorical measures, and two-sample 95% CIs from the resampling method to assess differences in medians between α-synuclein SAA positive and negative participants for continuous measures. A linear regression model was used to control for potential confounders such as age and sex. 

Findings

 This analysis included 1123 participants who were enrolled between July 7, 2010, and July 4, 2019. Of these, 545 had Parkinson's disease, 163 were healthy controls, 54 were participants with scans without evidence of dopaminergic deficit, 51 were prodromal participants, and 310 were non-manifesting carriers. Sensitivity for Parkinson's disease was 87·7% (95% CI 84·9–90·5), and specificity for healthy controls was 96·3% (93·4–99·2). The sensitivity of the α-synuclein SAA in sporadic Parkinson's disease with the typical olfactory deficit was 98·6% (96·4–99·4). The proportion of positive α-synuclein SAA was lower than this figure in subgroups including LRRK2 Parkinson's disease (67·5% [59·2–75·8]) and participants with sporadic Parkinson's disease without olfactory deficit (78·3% [69·8–86·7]). Participants with LRRK2 variant and normal olfaction had an even lower α-synuclein SAA positivity rate (34·7% [21·4–48·0]). Among prodromal and at-risk groups, 44 (86%) of 51 of participants with RBD or hyposmia had positive α-synuclein SAA (16 of 18 with hyposmia, and 28 of 33 with RBD). 25 (8%) of 310 non-manifesting carriers (14 of 159 [9%] LRRK2 and 11 of 151 [7%] GBA) were positive. 

Interpretation

 This study represents the largest analysis so far of the α-synuclein SAA for the biochemical diagnosis of Parkinson's disease. Our results show that the assay classifies people with Parkinson's disease with high sensitivity and specificity, provides information about molecular heterogeneity, and detects prodromal individuals before diagnosis. These findings suggest a crucial role for the α-synuclein SAA in therapeutic development, both to identify pathologically defined subgroups of people with Parkinson's disease and to establish biomarker-defined at-risk cohorts. 

Funding

 PPMI is funded by the Michael J Fox Foundation for Parkinson's Research and funding partners, including: Abbvie, AcureX, Aligning Science Across Parkinson's, Amathus Therapeutics, Avid Radiopharmaceuticals, Bial Biotech, Biohaven, Biogen, BioLegend, Bristol-Myers Squibb, Calico Labs, Celgene, Cerevel, Coave, DaCapo Brainscience, 4D Pharma, Denali, Edmond J Safra Foundation, Eli Lilly, GE Healthcare, Genentech, GlaxoSmithKline, Golub Capital, Insitro, Janssen Neuroscience, Lundbeck, Merck, Meso Scale Discovery, Neurocrine Biosciences, Prevail Therapeutics, Roche, Sanofi Genzyme, Servier, Takeda, Teva, UCB, VanquaBio, Verily, Voyager Therapeutics, and Yumanity.

Parkinson’s disease (PD) is the most common movement disorder, with resting tremor, rigidity, bradykinesia and postural instability being major symptoms (1). Neuropathologically, it is characterised by the presence of abundant filamentous inclusions of α-synuclein in the form of Lewy bodies and Lewy neurites in some brain cells, including dopaminergic nerve cells of the substantia nigra (2). PD is increasingly recognised as a multisystem disorder, with cognitive decline being one of its most common non-motor symptoms. Many patients with PD develop dementia more than 10 years after diagnosis (3). PD dementia (PDD) is clinically and neuropathologically similar to dementia with Lewy bodies (DLB), which is diagnosed when cognitive impairment precedes parkinsonian motor signs or begins within one year from their onset (4). In PDD, cognitive impairment develops in the setting of well-established PD. Besides PD and DLB, multiple system atrophy (MSA) is the third major synucleinopathy (5). It is characterised by the presence of abundant filamentous α-synuclein inclusions in brain cells, especially oligodendrocytes (Papp-Lantos bodies). We previously reported the electron cryo-microscopy (cryo-EM) structures of two types of α-synuclein filaments extracted from the brains of individuals with MSA (6). Each filament type is made of two different protofilaments. Here we report that the cryo-EM structures of α-synuclein filaments from the brains of individuals with PD, PDD and DLB are made of a single protofilament (Lewy fold) that is markedly different from the protofilaments of MSA. These findings establish the existence of distinct molecular conformers of assembled α-synuclein in neurodegenerative disease.

Objective: The aim of this study was to search for genes/variants that modify the effect of LRRK2 mutations in terms of penetrance and age-at-onset of Parkinson's disease. Methods: We performed the first genome-wide association study of penetrance and age-at-onset of Parkinson's disease in LRRK2 mutation carriers (776 cases and 1,103 non-cases at their last evaluation). Cox proportional hazard models and linear mixed models were used to identify modifiers of penetrance and age-at-onset of LRRK2 mutations, respectively. We also investigated whether a polygenic risk score derived from a published genome-wide association study of Parkinson's disease was able to explain variability in penetrance and age-at-onset in LRRK2 mutation carriers. Results: A variant located in the intronic region of CORO1C on chromosome 12 (rs77395454; P-value=2.5E-08, beta=1.27, SE=0.23, risk allele: C) met genome-wide significance for the penetrance model. A region on chromosome 3, within a previously reported linkage peak for Parkinson's disease susceptibility, showed suggestive associations in both models (penetrance top variant: P-value=1.1E-07; age-at-onset top variant: P-value=9.3E-07). A polygenic risk score derived from publicly available Parkinson's disease summary statistics was a significant predictor of penetrance, but not of age-at-onset. Interpretation: This study suggests that variants within or near CORO1C may modify the penetrance of LRRK2 mutations. In addition, common Parkinson's disease associated variants collectively increase the penetrance of LRRK2 mutations.

Despite substantial progress, causal variants are identified only for a minority of familial Parkinson's disease (PD) cases, leaving high-risk pathogenic variants unidentified

Abstract Variants in seven genes (LRRK2, GBA1, PRKN, SNCA, PINK1, PARK7 and VPS35) have been formally adjudicated as causal contributors to Parkinson’s disease; however, individuals with Parkinson’s disease are often unaware of their genetic status since clinical testing is infrequently offered. As a result, genetic information is not incorporated into clinical care, and variant-targeted precision medicine trials struggle to enrol people with Parkinson’s disease. Understanding the yield of genetic testing using an established gene panel in a large, geographically diverse North American population would help patients, clinicians, clinical researchers, laboratories and insurers better understand the importance of genetics in approaching Parkinson’s disease. PD GENEration is an ongoing multi-centre, observational study (NCT04057794, NCT04994015) offering genetic testing with results disclosure and genetic counselling to those in the US (including Puerto Rico), Canada and the Dominican Republic, through local clinical sites or remotely through self-enrolment. DNA samples are analysed by next-generation sequencing including deletion/duplication analysis (Fulgent Genetics) with targeted testing of seven major Parkinson’s disease-related genes. Variants classified as pathogenic/likely pathogenic/risk variants are disclosed to all tested participants by either neurologists or genetic counsellors. Demographic and clinical features are collected at baseline visits. Between September 2019 and June 2023, the study enrolled 10 510 participants across >85 centres, with 8301 having received results. Participants were: 59% male; 86% White, 2% Asian, 4% Black/African American, 9% Hispanic/Latino; mean age 67.4 ± 10.8 years. Reportable genetic variants were observed in 13% of all participants, including 18% of participants with one or more ‘high risk factors’ for a genetic aetiology: early onset (<50 years), high-risk ancestry (Ashkenazi Jewish/Basque/North African Berber), an affected first-degree relative; and, importantly, in 9.1% of people with none of these risk factors. Reportable variants in GBA1 were identified in 7.7% of all participants; 2.4% in LRRK2; 2.1% in PRKN; 0.1% in SNCA; and 0.2% in PINK1, PARK7 or VPS35 combined. Variants in more than one of the seven genes were identified in 0.4% of participants. Approximately 13% of study participants had a reportable genetic variant, with a 9% yield in people with no high-risk factors. This supports the promotion of universal access to genetic testing for Parkinson’s disease, as well as therapeutic trials for GBA1 and LRRK2-related Parkinson’s disease.

Objective To assess neurofilament light chain (NfL), as a biomarker for Parkinson’s disease (PD).Methods We quantified NfL in (1) longitudinal CSF samples from PD, other cognate/neurodegenerative disorders (OND), and healthy controls (HC); (2) a cross-sectional cohort with paired CSF and serum samples from participants with PD, OND, and HC, and (3) a large longitudinal validation cohort with serum samples from PD, OND, HC, prodromal conditions, and mutation carriers.Results In the longitudinal discovery cohort (1) NfL in CSF was highest in OND and higher in PD vs. HC across all visits (p<0.05) but did not change longitudinally. In the cross-sectional cohort (2) paired CSF and serum NfL samples were highly correlated (Spearman’s rank ![Graphic][1] ; p<10^-6). In the large validation cohort (3) mean baseline serum NfL was higher in PD (13±7.2pg/ml) vs. HC (12±6.7pg/ml; p=0.0336) and was highest in OND (18±7pg/ml; p=0.0351). Serum NfL increased longitudinally in PD vs. HC (p<0.01). Longitudinal motor scores were positively longitudinally associated with NfL, whereas some cognitive scores showed a negative longitudinal association with NfL.Conclusions NfL levels in serum samples are increased in PD vs. HC, increase significantly over time, and correlate with clinical measures of PD severity. Although the specificity of NfL in PD is low and more specific biomarkers are needed, serum NfL is the first blood-based biomarker candidate that could support disease stratification (PD vs. OND), track clinical progression, and possibly assess responsiveness to neuroprotective treatments. NfL as a biomarker of response to neuroprotective interventions remains to be determined.Funding sources for study PPMI is sponsored by the Michael J. Fox Foundation for Parkinson’s Research (MJFF) and is co-funded by MJFF, Abbvie, Avid Radiopharmaceuticals, Biogen Idec, Bristol-Myers Squibb, Covance, Eli Lilly & Co., F. Hoffman-La Roche, Ltd., GE Healthcare, Genentech, GlaxoSmithKline, Lundbeck, Merck, MesoScale, Piramal, Pfizer and UCB. The funders had no role in the design and conduct of the study, in the collection, management, analysis, and interpretation of the data, in the preparation, review, or approval of the manuscript or in the decision to submit the manuscript for publication.Financial Disclosure/Conflict of Interest concerning the research related to the manuscript Brit Mollenhauer, Douglas Galasko, Tatiana Foroud, Lana M. Chahine, Christopher S. Coffey, Andrew B. Singleton, Tanya Simuni, Daniel Weintraub, John Seibyl, Arthur W. Toga, and Caroline M. Tanner received funding from The Michael J. Fox Foundation for Parkinson’s Research.Mohammed Dakna, Tzu-Ying Liu, Henrik Zetterberg, Sebastian Schade, Roland G. Gera, Wenting Wang, Feng Gao, Niels Kruse, Mark Frasier, Jesse M. Cedarbaum, Samantha J. Hutten, Claudia Trenkwalder, and Danielle Graham report no disclosures. [1]: /embed/inline-graphic-1.gif

Transcriptome studies can identify genes whose expression differs between alcoholics and controls. To test which variants associated with alcohol use disorder (AUDs) may cause expression differences, we integrated deep RNA-seq and GWAS data from four postmortem brain regions of 30 AUDs subjects and 30 controls (social/non-drinkers) and analyzed allele-specific expression (ASE). We identified 90 genes with differential ASE in subjects with AUDs compared to controls. Of these, 61 genes contained 437 single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the 3' untranslated regions (3'UTR) with at least one heterozygote among the subjects studied. Using a modified PASSPORT-seq (parallel assessment of polymorphisms in miRNA target-sites by sequencing) assay, we identified 25 SNPs that showed affected RNA levels in a consistent manner in two neuroblastoma cell lines, SH-SY5Y and SK-N-BE(2). Many of these are in binding sites of miRNAs and RNA binding proteins, indicating that these SNPs are likely causal variants of AUD-associated differential ASE.

Bipolar disorder is a highly heritable psychiatric disorder that features episodes of mania and depression. We performed the largest genome-wide association study to date, including 20,352 cases and 31,358 controls of European descent, with follow-up analysis of 822 sentinel variants at loci with P<1x10-4 in an independent sample of 9,412 cases and 137,760 controls. In the combined analysis, 30 loci reached genome-wide significant evidence for association, of which 20 were novel. These significant loci contain genes encoding ion channels and neurotransmitter transporters (CACNA1C, GRIN2A, SCN2A, SLC4A1), synaptic components (RIMS1, ANK3), immune and energy metabolism components. Bipolar disorder type I (depressive and manic episodes; ~73% of our cases) is strongly genetically correlated with schizophrenia whereas bipolar disorder type II (depressive and hypomanic episodes; ~17% of our cases) is more strongly correlated with major depressive disorder. These findings address key clinical questions and provide potential new biological mechanisms for bipolar disorder.

Fetal Alcohol Spectrum Disorders (FASD) describe a continuum of ethanol-induced developmental defects including commonly observed craniofacial malformations. While ethanol-sensitive genetic mutations are a major contributor to facial malformations, the impacted cellular mechanisms underlying these facial anomalies remain unknown. The Bone Morphogenetic Protein (Bmp) signaling pathway is a key regulator of epithelial morphogenesis driving facial development, providing a possible ethanol-sensitive mechanism to malformations to the facial skeleton.Using zebrafish, we tested several mutants for Bmp pathway components for ethanol-induced facial malformations. Mutant embryos were exposed to ethanol in the media from 10-18 hours post-fertilization (hpf). Exposed zebrafish were fixed at 36 hpf to analyze anterior pharyngeal endoderm size and shape by immunofluorescence or at 5 days post-fertilization (dpf) to quantitatively examine shape of the facial skeleton stained with Alcian Blue/Alizarin Red staining. Integrating human genetic data, we screened for Bmp-ethanol associations in jaw volume of ethanol-exposed children.We found that mutations in the Bmp pathway sensitize zebrafish embryos to ethanol-induced malformations to anterior pharyngeal endoderm shape, leading to altered expression of fgf8a in the oral ectoderm. These changes correlate with shape changes in the viscerocranium, suggesting that ethanol-induced malformations of the anterior pharyngeal endoderm lead to facial malformations. Variants in the Bmp receptor gene, BMPR1B were associated with ethanol-related differences in jaw volume in humans.For the first time, we show that ethanol exposure disrupts proper morphogenesis of, and tissue interactions between, the facial epithelia. These shape changes in the anterior pharyngeal endoderm-oral ectoderm-signaling axis during early zebrafish development mirror the overall shape changes observed in the viscerocranium and were predictive for Bmp-ethanol associations in jaw development in human. Collectively, our work provides a mechanistic paradigm linking the impact of ethanol to the epithelial cell behaviors that underlie facial defects in FASD.