Genetic discoveries of Alzheimer's disease are the drivers of our understanding, and together with polygenetic risk stratification can contribute towards planning of feasible and efficient preventive and curative clinical trials. We first perform a large genetic association study by merging all available case-control datasets and by-proxy study results (discovery n = 409,435 and validation size n = 58,190). Here, we add six variants associated with Alzheimer's disease risk (near APP, CHRNE, PRKD3/NDUFAF7, PLCG2 and two exonic variants in the SHARPIN gene). Assessment of the polygenic risk score and stratifying by APOE reveal a 4 to 5.5 years difference in median age at onset of Alzheimer's disease patients in APOE ɛ4 carriers. Because of this study, the underlying mechanisms of APP can be studied to refine the amyloid cascade and the polygenic risk score provides a tool to select individuals at high risk of Alzheimer's disease.

ABSTRACT BACKGROUND Disentangling the genetic constellation underlying Alzheimer’s disease (AD) is important. Doing so allows us to identify biological pathways underlying AD, point towards novel drug targets and use the variants for individualised risk predictions in disease modifying or prevention trials. In the present work we report on the largest genome-wide association study (GWAS) for AD risk to date and show the combined utility of proven AD loci for precision medicine using polygenic risk scores (PRS). METHODS Three sets of summary statistics were included in our meta-GWAS of AD: an Spanish case-control study (GR@ACE/DEGESCO study, n = 12,386), the case-control study of International Genomics of Alzheimer project (IGAP, n = 82,771) and the UK Biobank (UKB) AD-by-proxy case-control study (n=314,278). Using these resources, we performed a fixed-effects inverse-variance-weighted meta-analysis. Detected loci were confirmed in a replication study of 19,089 AD cases and 39,101 controls from 16 European-ancestry cohorts not previously used. We constructed a weighted PRS based on the 39 AD variants. PRS were generated by multiplying the genotype dosage of each risk allele for each variant by its respective weight, and then summing across all variants. We first validated it for AD in independent data (assessing effects of sub-threshold signal, diagnostic certainty, age at onset and sex) and tested its effect on risk (odds for disease) and age at onset in the GR@ACE/DEGESCO study. FINDINGS Using our meta-GWAS approach and follow-up analysis, we identified novel genome-wide significant associations of six genetic variants with AD risk (rs72835061 -CHRNE , rs2154481 -APP , rs876461 -PRKD3/NDUFAF7 , rs3935877 -PLCG2 and two missense variants: rs34173062/rs34674752 in SHARPIN gene) and confirmed a stop codon mutation in the IL34 gene increasing the risk of AD ( IL34-Tyr213Ter ), and two other variants in PLCG2 and HS3ST1 regions. This brings the total number of genetic variants associated with AD to 39 (excluding APOE ). The PRS based on these variants was associated with AD in an independent clinical AD-case control dataset (OR=1.30, per 1-SD increase in the PRS, 95%CI 1.18-1.44, p = 1.1×10 −7 ), a similar effect to that in the GR@ACE/DEGESCO (OR=1.27, 95%CI 1.23-1.32, p = 7.4×10 −39 ). We then explored the combined effects of these 39 variants in a PRS for AD risk and age-at-onset stratification in GR@ACE/DEGESCO. Excluding APOE , we observed a gradual risk increase over the 2% tiles; when comparing the extremes, those with the 2% highest risk had a 2.98-fold (95% CI 2.12–4.18, p = 3.2×10 −10 ) increased risk compared to those with the 2% lowest risk ( p = 5.9×10 −10 ). Using the PRS we identified APOE ε33 carriers with a similar risk as APOE ε 4 heterozygotes carriers, as well as APOE ε4 heterozygote carriers with a similar risk as APOE ε 4 homozygote. Considering age at onset; there was a 9-year difference between median onset of AD the lowest risk group and the highest risk group (82 vs 73 years; p = 1.6×10 −6 ); a 4-year median onset difference (81 vs 77 years; p = 6.9×10 −5 ) within APOE ε4 heterozygotes and a 5.5-year median onset difference (78.5 vs 73 years; p = 4.6×10 −5 ) within APOE ε4 carriers. INTERPRETATION We identified six novel genetic variants associated with AD-risk, among which one common APP variant. A PRS of all genetic loci reported to date could be a robust tool to predict the risk and age at onset of AD, beyond APOE alone. These properties make PRS instrumental in selecting individuals at risk in order to apply preventative strategies and might have potential use in diagnostic work-up.

ABSTRACT Common SNPs are predicted to collectively explain 40-50% of phenotypic variation in human height, but identifying the specific variants and associated regions requires huge sample sizes. Here we show, using GWAS data from 5.4 million individuals of diverse ancestries, that 12,111 independent SNPs that are significantly associated with height account for nearly all of the common SNP-based heritability. These SNPs are clustered within 7,209 non-overlapping genomic segments with a median size of ~90 kb, covering ~21% of the genome. The density of independent associations varies across the genome and the regions of elevated density are enriched for biologically relevant genes. In out-of-sample estimation and prediction, the 12,111 SNPs account for 40% of phenotypic variance in European ancestry populations but only ~10%-20% in other ancestries. Effect sizes, associated regions, and gene prioritization are similar across ancestries, indicating that reduced prediction accuracy is likely explained by linkage disequilibrium and allele frequency differences within associated regions. Finally, we show that the relevant biological pathways are detectable with smaller sample sizes than needed to implicate causal genes and variants. Overall, this study, the largest GWAS to date, provides an unprecedented saturated map of specific genomic regions containing the vast majority of common height-associated variants.

Cortical thickness, surface area and volumes (MRI cortical measures) vary with age and cognitive function, and in neurological and psychiatric diseases. We examined heritability, genetic correlations and genome-wide associations of cortical measures across the whole cortex, and in 34 anatomically predefined regions. Our discovery sample comprised 22,824 individuals from 20 cohorts within the Cohorts for Heart and Aging Research in Genomic Epidemiology (CHARGE) consortium and the United Kingdom Biobank. Significant associations were replicated in the Enhancing Neuroimaging Genetics through Meta-analysis (ENIGMA) consortium, and their biological implications explored using bioinformatic annotation and pathway analyses. We identified genetic heterogeneity between cortical measures and brain regions, and 160 genome-wide significant associations pointing to wnt/β-catenin, TGF-β and sonic hedgehog pathways. There was enrichment for genes involved in anthropometric traits, hindbrain development, vascular and neurodegenerative disease and psychiatric conditions. These data are a rich resource for studies of the biological mechanisms behind cortical development and aging.

The detection of genetic loci associated with Alzheimer's disease (AD) requires large numbers of cases and controls because variant effect-sizes are mostly small. We hypothesized that variant effect-sizes should increase when individuals who represent the extreme ends of a disease spectrum are considered, as their genomes are assumed to be maximally enriched or depleted with disease-associated genetic variants. We used 1,073 extensively phenotyped AD cases with relatively young age at onset as extreme cases (66.3±7.9 years), 1,664 age-matched controls (66.0±6.5 years) and 255 cognitively healthy centenarians as extreme controls (101.4±1.3 years). We estimated the effect-size of 29 variants that were previously associated with AD in genome-wide association studies. Comparing extreme AD-cases with centenarian-controls increased the variant effect-size relative to published effect-sizes by on average 1.90-fold (SE=0.29, p=9.0x10-4). The effect-size increase was largest for the rare high-impact TREM2 (R74H) variant (6.5-fold), and significant for variants in/near ECHDC3 (4.6-fold), SLC24A4-RIN3 (4.5-fold), NME8 (3.8-fold), PLCG2 (3.3-fold), APOE-ε2 (2.2-fold) and APOE-ε4 (2.0-fold). Comparing extreme phenotypes enabled us to replicate the AD association for 10 variants (p<0.05) in relatively small samples. The increase in effect-sizes depended mainly on using centenarians as extreme controls: the average variant effect-size was not increased in a comparison of extreme AD cases and age-matched controls (0.94-fold, p=6.8x10-1), suggesting that on average the tested genetic variants did not explain the extremity of the AD-cases. Concluding, using centenarians as extreme controls in AD case-controls studies boosts the variant effect-size by on average two-fold, allowing the replication of disease-association in relatively small samples.

Cardiovascular (CV) and lifestyle associated risk factors (RFs) are increasingly recognized as important for Alzheimer's disease (AD) pathogenesis. Beyond the ε4 allele of apolipoprotein E (APOE), comparatively little is known about whether CV associated genes also increase risk for AD (genetic pleiotropy). Using large genome-wide association studies (GWASs) (total n > 500,000 cases and controls) and validated tools to quantify genetic pleiotropy, we systematically identified single nucleotide polymorphisms (SNPs) jointly associated with AD and one or more CV RFs, namely body mass index (BMI), type 2 diabetes (T2D), coronary artery disease (CAD), waist hip ratio (WHR), total cholesterol (TC), low-density (LDL) and high-density lipoprotein (HDL). In fold enrichment plots, we observed robust genetic enrichment in AD as a function of plasma lipids (TC, LDL, and HDL); we found minimal AD genetic enrichment conditional on BMI, T2D, CAD, and WHR. Beyond APOE, at conjunction FDR < 0.05 we identified 57 SNPs on 19 different chromosomes that were jointly associated with AD and CV outcomes including APOA4, ABCA1, ABCG5, LIPG, and MTCH2/SPI1. We found that common genetic variants influencing AD are associated with multiple CV RFs, at times with a different directionality of effect. Expression of these AD/CV pleiotropic genes was enriched for lipid metabolism processes, over-represented within astrocytes and vascular structures, highly co-expressed, and differentially altered within AD brains. Beyond APOE, we show that the polygenic component of AD is enriched for lipid associated RFs. Rather than a single causal link between genetic loci, RF and the outcome, we found that common genetic variants influencing AD are associated with multiple CV RFs. Our collective findings suggest that a network of genes involved in lipid biology also influence Alzheimer's risk.

The radial unit hypothesis provides a framework for global (proliferation) and regional (distribution) expansion of the primate cerebral cortex. Using principal component analysis (PCA), we have identified cortical regions with shared variance in their surface area and cortical thickness, respectively, segmented from magnetic resonance images obtained in 23,800 participants. We then carried out meta-analyses of genome-wide association studies of the first two principal components for each phenotype. For surface area (but not cortical thickness), we have detected strong associations between each of the components and single nucleotide polymorphisms in a number of gene loci. The first (global) component was associated mainly with loci on chromosome 17 (9.5e-32 ≤ p ≤ 2.8e-10), including those detected previously as linked with intracranial volume and/or general cognitive function. The second (regional) component captured shared variation in the surface area of the primary and adjacent secondary visual cortices and showed a robust association with polymorphisms in a locus on chromosome 14 containing Disheveled Associated Activator of Morphogenesis 1 ( DAAM1 ; p =2.4e-34). DAAM1 is a key component in the planar-cell-polarity signaling pathway. In follow-up studies, we have focused on the latter finding and established that: (1) DAAM1 is highly expressed between 12th and 22nd post-conception weeks in the human cerebral cortex; (2) genes co-expressed with DAAM1 in the primary visual cortex are enriched in mitochondria-related pathways; and (3) volume of the lateral geniculate nucleus, which projects to regions of the visual cortex staining for cytochrome oxidase (a mitochondrial enzyme), correlates with the surface area of the visual cortex in major-allele homozygotes but not in carriers of the minor allele. Altogether, we speculate that, in concert with thalamocortical input to cortical subplate, DAAM1 enables migration of neurons to cytochrome-oxidase rich regions of the visual cortex, and, in turn, facilitates regional expansion of this set of cortical regions during development.

Abstract Elucidating mechanisms underlying the clinical heterogeneity observed among individuals with Alzheimer’s disease (AD) is key to facilitate personalized treatments. We categorized 679 individuals with AD into subgroups based on a relative impairment in one cognitive domain (i.e. AD-Memory, AD-Executive-Functioning, AD-Language and AD-Visuospatial-Functioning). We compared atrophy patterns derived from MRI and identified patterns that closely matched the respective cognitive profiles, i.e. medial temporal lobe atrophy in AD-Memory, fronto-parietal in AD-Executive-Functioning, asymmetric left-temporal in AD-Language, and posterior in AD-Visuospatial-Functioning. We then determined spatial correlations between subgroup-specific atrophy and a transcriptomic atlas of gene expression, which revealed both shared (e.g. mitochondrial respiration and synaptic function/plasticity) and subgroup-specific (e.g. cell-cycle for AD-Memory, protein metabolism in AD-Language, and modification of gene expression in AD-Visuospatial-Functioning) biological pathways associated with each subgroup’s atrophy patterns. We conclude that cognitive heterogeneity in AD is related to neuroanatomical differences, and specific biological pathways may be involved in their emergence.

Late onset Alzheimer's disease (AD) is the most common form of dementia with more than 35 million people affected worldwide, and no curative treatment available. AD is highly heritable and recent genome-wide meta-analyses have identified over 20 genomic loci associated with AD, yet only explaining a small proportion of the genetic variance indicating that undiscovered loci exist. Here, we performed the largest genome-wide association study of clinically diagnosed AD and AD-by-proxy (71,880 AD cases, 383,378 controls). AD-by-proxy status is based on parental AD diagnosis, and showed strong genetic correlation with AD (rg=0.81). Genetic meta-analysis identified 29 risk loci, of which 9 are novel, and implicating 215 potential causative genes. Independent replication further supports these novel loci in AD. Associated genes are strongly expressed in immune-related tissues and cell types (spleen, liver and microglia). Furthermore, gene-set analyses indicate the genetic contribution of biological mechanisms involved in lipid-related processes and degradation of amyloid precursor proteins. We show strong genetic correlations with multiple health-related outcomes, and Mendelian randomisation results suggest a protective effect of cognitive ability on AD risk. These results are a step forward in identifying more of the genetic factors that contribute to AD risk and add novel insights into the neurobiology of AD to guide new drug development.