Age-related macular degeneration (AMD) is the most common form of irreversible blindness in developed countries1,2. Variants in the factor H gene (CFH, also known as HF1), which encodes a major inhibitor of the alternative complement pathway, are associated with the risk for developing AMD3,4,5,6,7,8. Here we test the hypothesis that variation in genes encoding other regulatory proteins of the same pathway is associated with AMD. We screened factor B (BF) and complement component 2 (C2) genes, located in the major histocompatibility complex class III region, for genetic variation in two independent cohorts comprising ∼900 individuals with AMD and ∼400 matched controls. Haplotype analyses identify a statistically significant common risk haplotype (H1) and two protective haplotypes. The L9H variant of BF and the E318D variant of C2 (H10), as well as a variant in intron 10 of C2 and the R32Q variant of BF (H7), confer a significantly reduced risk of AMD (odds ratio = 0.45 and 0.36, respectively). Combined analysis of the C2 and BF haplotypes and CFH variants shows that variation in the two loci can predict the clinical outcome in 74% of the affected individuals and 56% of the controls. These data expand and refine our understanding of the genetic risk for AMD.

Age-related macular degeneration (AMD), a blinding disorder that compromises central vision, is characterized by the accumulation of extracellular deposits, termed drusen, between the retinal pigmented epithelium and the choroid. Recent studies in this laboratory revealed that vitronectin is a major component of drusen. Because vitronectin is also a constituent of abnormal deposits associated with a variety of diseases, drusen from human donor eyes were examined for compositional similarities with other extracellular disease deposits. Thirty-four antibodies to 29 different proteins or protein complexes were tested for immunoreactivity with hard and soft drusen phenotypes. These analyses provide a partial profile of the molecular composition of drusen. Serum amyloid P component, apolipoprotein E, immunoglobulin light chains, Factor X, and complement proteins (C5 and C5b-9 complex) were identified in all drusen phenotypes. Transcripts encoding some of these molecules were also found to be synthesized by the retina, retinal pigmented epithelium, and/or choroid. The compositional similarity between drusen and other disease deposits may be significant in view of the recently established correlation between AMD and atherosclerosis. This study suggests that similar pathways may be involved in the etiologies of AMD and other age-related diseases.

ABSTRACT The anterior segment of the eye consists of the cornea, iris, ciliary body, crystalline lens and aqueous humor outflow pathways. Together, these tissues are essential for the proper functioning of the eye. Disorders of vision have been ascribed to defects in all of them; some, including glaucoma and cataract, are among the most prevalent causes of blindness in the world. To characterize the cell types that comprise these tissues, we generated an anterior segment cell atlas of the human eye using high throughput single-nucleus RNA sequencing (snRNAseq). We profiled 191,992 nuclei from non-diseased anterior segment tissues from 6 human donors, identifying >60 cell types. Many of these cell types were discrete, whereas others, especially in lens and cornea, formed continua corresponding to known developmental transitions that persist in adulthood. Having profiled each tissue separately, we performed an integrated analysis of the entire anterior segment revealing that some cell types are unique to single structure whereas others are shared across tissues. The integrated cell atlas was then used to investigate cell type-specific expression patterns of more than 900 human ocular disease genes identified either through Mendelian inheritance patterns or genome-wide association studies (GWAS). SIGNIFICANCE STATEMENT Several of the most prevalent blinding ocular conditions worldwide, including glaucoma, cataract and uncorrected refractive error, involve structures of the anterior segment of the human eye, which consists of the cornea, iris, ciliary body, crystalline lens and aqueous humor outflow pathways. In addition to providing transcriptomic profiles of the cell types within individual tissues, this work contributes to our understanding of the relatedness and diversity of these cell types across contiguous tissues by generating an integrated anterior segment cell atlas and documenting the expression of over 900 disease-associated genes in each cell type. By allowing simultaneous interrogation of cell-type specific expression of genes across multiple tissues, the atlas may yield broad insight into normal and disease-associated anterior segment functions.

Unchecked, chronic inflammation is a constitutive component of age-related diseases, including age-related macular degeneration (AMD). Here we identified interleukin-1 receptor-associated kinase (IRAK)-M as a key immunoregulator in retinal pigment epithelium (RPE) that declines with age. Rare genetic variants of IRAK-M increased the likelihood of AMD. IRAK-M expression in RPE declined with age or oxidative stress and was further reduced in AMD. IRAK-M-deficient mice exhibited increased incidence of outer retinal degeneration at earlier ages, which was further exacerbated by oxidative stressors. The absence of IRAK-M disrupted RPE cell homeostasis, including compromised mitochondrial function, cellular senescence, and aberrant cytokine production. IRAK-M overexpression protected RPE cells against oxidative or immune stressors. Subretinal delivery of AAV-expressing IRAK-M rescued light-induced outer retinal degeneration in wild-type mice and attenuated age-related spontaneous retinal degeneration in IRAK-M-deficient mice. Our data support that replenishment of IRAK-M expression may redress dysregulated pro-inflammatory processes in AMD, thereby treating degeneration.

Although the visual system extends through the brain, most vision loss originates from defects in the eye. Its central element is the neural retina, which senses light, processes visual signals, and transmits them to the rest of the brain through the optic nerve (ON). Surrounding the retina are numerous other structures, conventionally divided into anterior and posterior segments. Here we used high-throughput single nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) to classify and characterize cells in the extraretinal components of the posterior segment: ON, optic nerve head (ONH), peripheral sclera, peripapillary sclera (PPS), choroid, and retinal pigment epithelium (RPE). Defects in each of these tissues are associated with blinding diseases - for example, glaucoma (ONH and PPS), optic neuritis (ON), retinitis pigmentosa (RPE), and age-related macular degeneration (RPE and choroid). From ∼151,000 single nuclei, we identified 37 transcriptomically distinct cell types, including multiple types of astrocytes, oligodendrocytes, fibroblasts, and vascular endothelial cells. Our analyses revealed a differential distribution of many cell types among distinct structures. Together with our previous analyses of the anterior segment and retina, the new data complete a "Version 1" cell atlas of the human eye. We used this atlas to map the expression of >180 genes associated with the risk of developing glaucoma, which is known to involve ocular tissues in both anterior and posterior segments as well as neural retina. Similar methods can be used to investigate numerous additional ocular diseases, many of which are currently untreatable.