The genetic architecture of autism spectrum disorder involves the interplay of common and rare variants and their impact on hundreds of genes. Using exome sequencing, here we show that analysis of rare coding variation in 3,871 autism cases and 9,937 ancestry-matched or parental controls implicates 22 autosomal genes at a false discovery rate (FDR) < 0.05, plus a set of 107 autosomal genes strongly enriched for those likely to affect risk (FDR < 0.30). These 107 genes, which show unusual evolutionary constraint against mutations, incur de novo loss-of-function mutations in over 5% of autistic subjects. Many of the genes implicated encode proteins for synaptic formation, transcriptional regulation and chromatin-remodelling pathways. These include voltage-gated ion channels regulating the propagation of action potentials, pacemaking and excitability–transcription coupling, as well as histone-modifying enzymes and chromatin remodellers—most prominently those that mediate post-translational lysine methylation/demethylation modifications of histones. Whole-exome sequencing in a large autism study identifies over 100 autosomal genes that are likely to affect risk for the disorder; these genes, which show unusual evolutionary constraint against mutations, carry de novo loss-of-function mutations in over 5% of autistic subjects and many function in synaptic, transcriptional and chromatin-remodelling pathways. Autism spectrum disorder (ASD) is a broad group of brain development disorders, including autism, childhood disintegrative disorder and Asperger's syndrome, characterized by impaired social interaction and communication, repetitive behaviour and restricted interests. Two groups reporting in this issue of Nature have used large-scale whole-exome sequencing to examine the contribution of inherited and germline de novo mutations to ASD risk. Silvia De Rubeis et al. analysed DNA samples from 3,871 autism cases and 9,937 ancestry-matched or parental controls and identify more than 100 autosomal genes that are likely to affect risk for the disease. De novo loss-of-function mutations were detected in more than 5% of autistic subjects. Many of the associated gene products appear to function in synaptic, transcriptional, and chromatin remodelling pathways. Ivan Iossifov et al. sequenced exomes from more than 2,500 families, each with one child with ASD. They identify 27 high-confidence gene targets and estimate that 13% of de novo missense mutations and 43% of de novo 'likely gene-disrupting' (LGD) mutations contribute to 12% and 9% of diagnoses, respectively.

Transgenic mice expressing a stabilized β-catenin in neural precursors develop enlarged brains with increased cerebral cortical surface area and folds resembling sulci and gyri of higher mammals. Brains from transgenic animals have enlarged lateral ventricles lined with neuroepithelial precursor cells, reflecting an expansion of the precursor population. Compared with wild-type precursors, a greater proportion of transgenic precursors reenter the cell cycle after mitosis. These results show that β-catenin can function in the decision of precursors to proliferate or differentiate during mammalian neuronal development and suggest that β-catenin can regulate cerebral cortical size by controlling the generation of neural precursor cells.

Analysis of de novo CNVs (dnCNVs) from the full Simons Simplex Collection (SSC) (N = 2,591 families) replicates prior findings of strong association with autism spectrum disorders (ASDs) and confirms six risk loci (1q21.1, 3q29, 7q11.23, 16p11.2, 15q11.2-13, and 22q11.2). The addition of published CNV data from the Autism Genome Project (AGP) and exome sequencing data from the SSC and the Autism Sequencing Consortium (ASC) shows that genes within small de novo deletions, but not within large dnCNVs, significantly overlap the high-effect risk genes identified by sequencing. Alternatively, large dnCNVs are found likely to contain multiple modest-effect risk genes. Overall, we find strong evidence that de novo mutations are associated with ASD apart from the risk for intellectual disability. Extending the transmission and de novo association test (TADA) to include small de novo deletions reveals 71 ASD risk loci, including 6 CNV regions (noted above) and 65 risk genes (FDR ≤ 0.1).

Doublecortin (DCX) is required for normal migration of neurons into the cerebral cortex, since mutations in the human gene cause a disruption of cortical neuronal migration. To date, little is known about the distribution of DCX protein or its function. Here, we demonstrate that DCX is expressed in migrating neurons throughout the central and peripheral nervous system during embryonic and postnatal development. DCX protein localization overlaps with microtubules in cultured primary cortical neurons, and this overlapping expression is disrupted by microtubule depolymerization. DCX coassembles with brain microtubules, and recombinant DCX stimulates the polymerization of purified tubulin. Finally, overexpression of DCX in heterologous cells leads to a dramatic microtubule phenotype that is resistant to depolymerization. Therefore, DCX likely directs neuronal migration by regulating the organization and stability of microtubules.

Migration toward pathology is the first critical step in stem cell engagement during regeneration. Neural stem cells (NSCs) migrate through the parenchyma along nonstereotypical routes in a precise directed manner across great distances to injury sites in the CNS, where they might engage niches harboring local transiently expressed reparative signals. The molecular mechanisms for NSC mobilization have not been identified. Because NSCs seem to home similarly to pathologic sites derived from disparate etiologies, we hypothesized that the inflammatory response itself, a characteristic common to all, guides the behavior of potentially reparative cells. As proof of concept, we show that human NSCs migrate in vivo (including from the contralateral hemisphere) toward an infarcted area (a representative CNS injury), where local astrocytes and endothelium up-regulate the inflammatory chemoattractant stromal cell-derived factor 1α (SDF-1α). NSCs express CXC chemokine receptor 4 (CXCR4), the cognate receptor for SDF-1α. Exposure of SDF-1α to quiescent NSCs enhances proliferation, promotes chain migration and transmigration, and activates intracellular molecular pathways mediating engagement. CXCR4 blockade abrogates their pathology-directed chain migration, a developmentally relevant mode of tangential migration that, if recapitulated, could explain homing along nonstereotypical paths. Our data implicate SDF-1α/CXCR4, representative of the inflammatory milieu characterizing many pathologies, as a pathway that activates NSC molecular programs during injury and suggest that inflammation may be viewed not simply as playing an adverse role but also as providing stimuli that recruit cells with a regenerative homeostasis-promoting capacity. CXCR4 expression within germinal zones suggests that NSC homing after injury and migration during development may invoke similar mechanisms.

Abstract

 Multipotent neural cell lines were generated via retrovirus-mediated v-myc transfer into murine cerebellar progenitor cells. When transplanted back into the cerebellum of newborn mice, these cells integrated into the cerebellum in a nontumorigenic, cytoarchitecturally appropriate manner. Cells from the same clonal line differentiated into neurons or glia in a manner appropriate to their site of engraftment. Engrafted cells, identified by lacZ expression and PCR-mediated detection of a unique sequence arrangement, could be identified in animals up to 22 months postengraftment. Electron microscopic and immunohistochemical analysis demonstrated that some engrafted cells were similar to host neurons and glia. Some transplant-derived neurons received appropriate synapses and formed normal intercellular contacts. These data indicate that generating immortalized cell lines for repair of, or transport of genes into, the CNS may be feasible. Such lines may also provide a model for commitment and differentiation of cerebellar progenitor cells.

Long-range, directed migration is particularly dramatic in the cerebral cortex, where postmitotic neurons generated deep in the brain migrate to form layers with distinct form and function. In the X-linked dominant human disorder periventricular heterotopia (PH), many neurons fail to migrate and persist as nodules lining the ventricular surface. Females with PH present with epilepsy and other signs, including patent ductus arteriosus and coagulopathy, while hemizygous males die embryonically. We have identified the PH gene as filamin 1 (FLN1), which encodes an actin-cross-linking phosphoprotein that transduces ligand–receptor binding into actin reorganization, and which is required for locomotion of many cell types. FLN1 shows previously unrecognized, high-level expression in the developing cortex, is required for neuronal migration to the cortex, and is essential for embryogenesis.

To find inherited causes of autism-spectrum disorders, we studied families in which parents share ancestors, enhancing the role of inherited factors. We mapped several loci, some containing large, inherited, homozygous deletions that are likely mutations. The largest deletions implicated genes, including PCDH10 ( protocadherin 10 ) and DIA1 ( deleted in autism1 , or c3orf58) , whose level of expression changes in response to neuronal activity, a marker of genes involved in synaptic changes that underlie learning. A subset of genes, including NHE9 ( Na + /H + exchanger 9 ), showed additional potential mutations in patients with unrelated parents. Our findings highlight the utility of â€œhomozygosity mapping” in heterogeneous disorders like autism but also suggest that defective regulation of gene expression after neural activity may be a mechanism common to seemingly diverse autism mutations.

Walker-Warburg syndrome (WWS) is an autosomal recessive developmental disorder characterized by congenital muscular dystrophy and complex brain and eye abnormalities. A similar combination of symptoms is presented by two other human diseases, muscle-eye-brain disease (MEB) and Fukuyama congenital muscular dystrophy (FCMD). Although the genes underlying FCMD (Fukutin) and MEB (POMGnT1) have been cloned, loci for WWS have remained elusive. The protein products of POMGnT1 and Fukutin have both been implicated in protein glycosylation. To unravel the genetic basis of WWS, we first performed a genomewide linkage analysis in 10 consanguineous families with WWS. The results indicated the existence of at least three WWS loci. Subsequently, we adopted a candidate-gene approach in combination with homozygosity mapping in 15 consanguineous families with WWS. Candidate genes were selected on the basis of the role of the FCMD and MEB genes. Since POMGnT1 encodes an O-mannoside N-acetylglucosaminyltransferase, we analyzed the possible implication of O-mannosyl glycan synthesis in WWS. Analysis of the locus for O-mannosyltransferase 1 (POMT1) revealed homozygosity in 5 of 15 families. Sequencing of the POMT1 gene revealed mutations in 6 of the 30 unrelated patients with WWS. Of the five mutations identified, two are nonsense mutations, two are frameshift mutations, and one is a missense mutation. Immunohistochemical analysis of muscle from patients with POMT1 mutations corroborated the O-mannosylation defect, as judged by the absence of glycosylation of α-dystroglycan. The implication of O-mannosylation in MEB and WWS suggests new lines of study in understanding the molecular basis of neuronal migration. Walker-Warburg syndrome (WWS) is an autosomal recessive developmental disorder characterized by congenital muscular dystrophy and complex brain and eye abnormalities. A similar combination of symptoms is presented by two other human diseases, muscle-eye-brain disease (MEB) and Fukuyama congenital muscular dystrophy (FCMD). Although the genes underlying FCMD (Fukutin) and MEB (POMGnT1) have been cloned, loci for WWS have remained elusive. The protein products of POMGnT1 and Fukutin have both been implicated in protein glycosylation. To unravel the genetic basis of WWS, we first performed a genomewide linkage analysis in 10 consanguineous families with WWS. The results indicated the existence of at least three WWS loci. Subsequently, we adopted a candidate-gene approach in combination with homozygosity mapping in 15 consanguineous families with WWS. Candidate genes were selected on the basis of the role of the FCMD and MEB genes. Since POMGnT1 encodes an O-mannoside N-acetylglucosaminyltransferase, we analyzed the possible implication of O-mannosyl glycan synthesis in WWS. Analysis of the locus for O-mannosyltransferase 1 (POMT1) revealed homozygosity in 5 of 15 families. Sequencing of the POMT1 gene revealed mutations in 6 of the 30 unrelated patients with WWS. Of the five mutations identified, two are nonsense mutations, two are frameshift mutations, and one is a missense mutation. Immunohistochemical analysis of muscle from patients with POMT1 mutations corroborated the O-mannosylation defect, as judged by the absence of glycosylation of α-dystroglycan. The implication of O-mannosylation in MEB and WWS suggests new lines of study in understanding the molecular basis of neuronal migration.