Abstract To facilitate precision medicine and neuroscience research, we developed a machine-learning technique that scores the likelihood that a gene, when mutated, will cause a neurological phenotype. We analysed 1126 genes relating to 25 subtypes of Mendelian neurological disease defined by Genomics England (March 2017) together with 154 gene-specific features capturing genetic variation, gene structure and tissue-specific expression and co-expression. We randomly re-sampled genes with no known disease association to develop bootstrapped decision-tree models, which were integrated to generate a decision tree-based ensemble for each disease subtype. Genes generating larger numbers of distinct transcripts and with higher probability of having missense mutations in normal individuals were significantly more likely to cause neurological diseases. Using mouse-mutant phenotypic data we tested the accuracy of gene-phenotype predictions and found that for 88% of all disease subtypes there was a significant enrichment of relevant phenotypic abnormalities when predicted genes were mutated in mice and in many cases mutations produced specific and matching phenotypes. Furthermore, using only newly identified genes included in the Genomics England November 2017 release, we assessed our gene-phenotype predictions and showed an 8.3 fold enrichment relative to chance for correct predictions. Thus, we demonstrate both the explanatory and predictive power of machine-learning-based models in neurological disease.

ABSTRACT Background Repeat expansion (RE) disorders affect ~1 in 3000 individuals and are clinically heterogeneous diseases caused by expansions of short tandem DNA repeats. Genetic testing is often locus-specific, resulting in under diagnosis of atypical clinical presentations, especially in paediatric patients without a prior positive family history. Whole genome sequencing (WGS) is emerging as a first-line test for rare genetic disorders, but until recently REs were thought to be undetectable by this approach. Methods WGS pipelines for RE disorder detection were deployed by the 100,000 Genomes Project and Illumina Clinical Services Laboratory. Performance was retrospectively assessed across the 13 most common neurological RE loci using 793 samples with prior orthogonal testing (182 with expanded alleles and 611 with alleles within normal size) and prospectively interrogated in 13,331 patients with suspected genetic neurological disorders. Findings WGS RE detection showed minimum 97·3% sensitivity and 99·6% specificity across all 13 disease-associated loci. Applying the pipeline to patients from the 100,000 Genomes Project identified pathogenic repeat expansions which were confirmed in 69 patients, including seven paediatric patients with no reported family history of RE disorders, with a 0.09% false positive rate. Interpretation We show here for the first time that WGS enables the detection of causative repeat expansions with high sensitivity and specificity, and that it can be used to resolve previously undiagnosed neurological disorders. This includes children with no prior suspicion of a RE disorder. These findings are leading to diagnostic implementation of this analytical pipeline in the NHS Genomic Medicine Centres in England. Funding Medical Research Council, Department of Health and Social Care, National Health Service England, National Institute for Health Research, Illumina Inc

Abstract The size of the human head is determined by growth in the first years of life, while the rest of the body typically grows until early adulthood 1 . Such complex developmental processes are regulated by various genes and growth pathways 2 . Rare genetic syndromes have revealed genes that affect head size 3 , but the genetic drivers of variation in head size within the general population remain largely unknown. To elucidate biological pathways underlying the growth of the human head, we performed the largest genome-wide association study on human head size to date (N = 79,107). We identified 67 genetic loci, 50 of which are novel, and found that these loci are preferentially associated with head size and mostly independent from height. In subsequent neuroimaging analyses, the majority of genetic variants demonstrated widespread effects on the brain, whereas the effects of 17 variants could be localized to one or two specific brain regions. Through hypothesis-free approaches, we find a strong overlap of head size variants with both cancer pathways and cancer genes. Gene set analyses showed enrichment for different types of cancer and the p53, Wnt and ErbB signalling pathway. Genes overlapping or close to lead variants – such as TP53 , PTEN and APC – were enriched for genes involved in macrocephaly syndromes (up to 37-fold) and high-fidelity cancer genes (up to 9-fold), whereas this enrichment was not seen for human height variants. This indicates that genes regulating early brain and cranial growth are associated with a propensity to neoplasia later in life, irrespective of height. Our results warrant further investigations of the link between head size and cancer, as well as its clinical implications in the general population.

Abstract Mutations in the leucine-rich repeat kinase 2 ( LRRK2 ) gene are the most commonly identified genetic variants in familial and sporadic Parkinson’s disease (PD). Over three hundred LRRK2 variants have been described in the literature, of which at least 17 have a confirmed or probable pathogenic role in PD. The distribution of these rare pathogenic variants has been shown to be different among ethnic groups including Caucasians, Latin Americans and East and South Asians. However, to date no PD-related LRRK2 pathogenic variant has been described in persons of black African ancestry within or outside Africa. We previously reported that the LRRK2 p.gly2019ser mutation was not found in 126 PD patients and 55 controls from Nigeria. Using Kompetitive Allele-Specific Polymerase chain reaction (KASP), we screened a new cohort of 92 Nigerians with PD and 210 healthy ethnically matched controls for 12 rare LRRK2 variants (which have been shown to be pathogenic in other ethnic populations) including: p.gly2019ser, p.Arg1441His, p.Gly2385Arg, p.Ala419Val, p.Arg1628Pro, p.Pro755Leu, p.Ile2020Thr and Tyr1699Cys . All 12 rare variants were absent in PD patients and controls from this cohort. These results endorse our previous findings and confirm that rare LRRK2 pathogenic variants reported in Caucasians, Asians and persons of mixed ancestry are absent in West Africans. Applying next generation sequencing technologies in future studies is necessary to explore possible novel LRRK2 variants indigenous to black Africans.

Alzheimers disease (AD) is a neurodegenerative disorder that primarily affects elderly individuals, and is characterized by hallmark neuronal pathologies including extracellular amyloid-β (Aβ) plaque deposition, intracellular tau tangles, and neuronal death. However, recapitulating these age-associated neuronal pathologies in patient-derived neurons has remained a significant challenge, especially for late-onset AD (LOAD), the most common form of the disorder. Here, we applied the high efficiency microRNA-mediated direct neuronal reprogramming of fibroblasts from AD patients to generate cortical neurons in three-dimensional (3D) Matrigel and self-assembled neuronal spheroids. Our findings indicate that neurons and spheroids reprogrammed from both autosomal dominant AD (ADAD) and LOAD patients exhibited AD-like phenotypes linked to neurons, including extracellular Aβ deposition, dystrophic neurites with hyperphosphorylated, K63-ubiquitin-positive, seed-competent tau, and spontaneous neuronal death in culture. Moreover, treatment with β- or γ-secretase inhibitors in LOAD patient-derived neurons and spheroids before Aβ deposit formation significantly lowered Aβ deposition, as well as tauopathy and neurodegeneration. However, the same treatment after the cells already formed Aβ deposits only had a mild effect. Additionally, inhibiting the synthesis of age-associated retrotransposable elements (RTEs) by treating LOAD neurons and spheroids with the reverse transcriptase inhibitor, lamivudine, alleviated AD neuropathology. Overall, our results demonstrate that direct neuronal reprogramming of AD patient fibroblasts in a 3D environment can capture age-related neuropathology and reflect the interplay between Aβ accumulation, tau dysregulation, and neuronal death. Moreover, miRNA-based 3D neuronal conversion provides a human-relevant AD model that can be used to identify compounds that can potentially ameliorate AD-associated pathologies and neurodegeneration.

To date the LRRK2 p.G2019S mutation remains the most common genetic cause of Parkinson disease (PD) worldwide. It accounts for up to 6% of familial and approximately 1.5% of sporadic cases. LRRK2 has a kinase enzymatic domain which provides an attractive potential target for drug therapies and LRRK2 kinase inhibitors are in development. Prevalence of the p.G2019S has a variable ethnic and geographic distribution, the highest was reported among Ashkenazi Jews (30% in patients with familial PD, 14% in sporadic PD, 2.0% in controls) and North African Berbers (37% in patients with familial PD, 41% in sporadic PD, and 1% in controls). Little is known about the frequency of the LRRK2 p.G2019S among populations in Sub Saharan Africa. Our group and others previously reported that the p.G2019S is absent in a small cohort from Nigerian PD patients and controls. Here we used Kompetitive Allele Specific PCR (KASP) assay to screen for the p.G2019S in a larger cohort of Black African PD patients (n =126) and healthy controls (n = 55) from Nigeria. Our analysis confirmed that all patients and controls are negative for the p.G2019S mutation. This report provides further evidence that the LRRK2 p.G2019S is not implicated in PD in black populations from Nigeria and support the notion that p.G2019S mutation originated after the early human dispersal from sub-Saharan Africa. Further studies using larger cohorts and advance sequencing technology are required to underpin the genetic causes of PD in this region.