Several families have been reported with autosomal-dominant frontotemporal dementia (FTD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS), genetically linked to chromosome 9p21. Here, we report an expansion of a noncoding GGGGCC hexanucleotide repeat in the gene C9ORF72 that is strongly associated with disease in a large FTD/ALS kindred, previously reported to be conclusively linked to chromosome 9p. This same repeat expansion was identified in the majority of our families with a combined FTD/ALS phenotype and TDP-43-based pathology. Analysis of extended clinical series found the C9ORF72 repeat expansion to be the most common genetic abnormality in both familial FTD (11.7%) and familial ALS (23.5%). The repeat expansion leads to the loss of one alternatively spliced C9ORF72 transcript and to formation of nuclear RNA foci, suggesting multiple disease mechanisms. Our findings indicate that repeat expansion in C9ORF72 is a major cause of both FTD and ALS.

Abstract

 We have previously linked families with autosomal-dominant, late-onset parkinsonism to chromosome 12p11.2-q13.1 (PARK8). By high-resolution recombination mapping and candidate gene sequencing in 46 families, we have found six disease-segregating mutations (five missense and one putative splice site mutation) in a gene encoding a large, multifunctional protein, LRRK2 (leucine-rich repeat kinase 2). It belongs to the ROCO protein family and includes a protein kinase domain of the MAPKKK class and several other major functional domains. Within affected carriers of families A and D, six post mortem diagnoses reveal brainstem dopaminergic degeneration accompanied by strikingly diverse pathologies. These include abnormalities consistent with Lewy body Parkinson's disease, diffuse Lewy body disease, nigral degeneration without distinctive histopathology, and progressive supranuclear palsy-like pathology. Clinical diagnoses of Parkinsonism with dementia or amyotrophy or both, with their associated pathologies, are also noted. Hence, LRRK2 may be central to the pathogenesis of several major neurodegenerative disorders associated with parkinsonism.

Mutations in LRRK2, the gene that encodes leucine-rich repeat kinase 2, are a cause of Parkinson's disease (PD). The International LRRK2 Consortium was established to answer three key clinical questions: can LRRK2-associated PD be distinguished from idiopathic PD; which mutations in LRRK2 are pathogenic; and what is the age-specific cumulative risk of PD for individuals who inherit or are at risk of inheriting a deleterious mutation in LRRK2?Researchers from 21 centres across the world collaborated on this study. The frequency of the common LRRK2 Gly2019Ser mutation was estimated on the basis of data from 24 populations worldwide, and the penetrance of the mutation was defined in 1045 people with mutations in LRRK2 from 133 families. The LRRK2 phenotype was defined on the basis of 59 motor and non-motor symptoms in 356 patients with LRRK2-associated PD and compared with the symptoms of 543 patients with pathologically proven idiopathic PD.Six mutations met the consortium's criteria for being proven pathogenic. The frequency of the common LRRK2 Gly2019Ser mutation was 1% of patients with sporadic PD and 4% of patients with hereditary PD; the frequency was highest in the middle east and higher in southern Europe than in northern Europe. The risk of PD for a person who inherits the LRRK2 Gly2019Ser mutation was 28% at age 59 years, 51% at 69 years, and 74% at 79 years. The motor symptoms (eg, disease severity, rate of progression, occurrence of falls, and dyskinesia) and non-motor symptoms (eg, cognition and olfaction) of LRRK2-associated PD were more benign than those of idiopathic PD.Mutations in LRRK2 are a clinically relevant cause of PD that merit testing in patients with hereditary PD and in subgroups of patients with PD. However, this knowledge should be applied with caution in the diagnosis and counselling of patients.UK Medical Research Council; UK Parkinson's Disease Society; UK Brain Research Trust; Internationaal Parkinson Fonds; Volkswagen Foundation; National Institutes of Health: National Institute of Neurological Disorders and Stroke and National Institute of Aging; Udall Parkinson's Disease Centre of Excellence; Pacific Alzheimer Research Foundation Centre; Italian Telethon Foundation; Fondazione Grigioni per il Morbo di Parkinson; Michael J Fox Foundation for Parkinson's Research; Safra Global Genetics Consortium; US Department of Veterans Affairs; French Agence Nationale de la Recherche.

Tau proteins aggregate as cytoplasmic inclusions in a number of neurodegenerative diseases, including Alzheimer's disease and hereditary frontotemporal dementia and parkinsonism linked to chromosome 17 (FTDP-17). Over 10 exonic and intronic mutations in the tau gene have been identified in about 20 FTDP-17 families. Analyses of soluble and insoluble tau proteins from brains of FTDP-17 patients indicated that different pathogenic mutations differentially altered distinct biochemical properties and stoichiometry of brain tau isoforms. Functional assays of recombinant tau proteins with different FTDP-17 missense mutations implicated all but one of these mutations in disease pathogenesis by reducing the ability of tau to bind microtubules and promote microtubule assembly.

The identification of genetic causes for Mendelian disorders has been based on the collection of multi-incident families, linkage analysis, and sequencing of genes in candidate intervals. This study describes the application of next-generation sequencing technologies to a Swiss kindred presenting with autosomal-dominant, late-onset Parkinson disease (PD). The family has tremor-predominant dopa-responsive parkinsonism with a mean onset of 50.6 ± 7.3 years. Exome analysis suggests that an aspartic-acid-to-asparagine mutation within vacuolar protein sorting 35 (VPS35 c.1858G>A; p.Asp620Asn) is the genetic determinant of disease. VPS35 is a central component of the retromer cargo-recognition complex, is critical for endosome-trans-golgi trafficking and membrane-protein recycling, and is evolutionarily highly conserved. VPS35 c.1858G>A was found in all affected members of the Swiss kindred and in three more families and one patient with sporadic PD, but it was not observed in 3,309 controls. Further sequencing of familial affected probands revealed only one other missense variant, VPS35 c.946C>T; (p.Pro316Ser), in a pedigree with one unaffected and two affected carriers, and thus the pathogenicity of this mutation remains uncertain. Retromer-mediated sorting and transport is best characterized for acid hydrolase receptors. However, the complex has many types of cargo and is involved in a diverse array of biologic pathways from developmental Wnt signaling to lysosome biogenesis. Our study implicates disruption of VPS35 and retromer-mediated trans-membrane protein sorting, rescue, and recycling in the neurodegenerative process leading to PD.

Genomic triplication of the alpha-synuclein gene recently has been associated with familial Parkinson's disease in the Spellman-Muenter kindred. Here, we present an independent family, of Swedish-American descent, with hereditary early-onset parkinsonism with dementia due to alpha-synuclein triplication. Brain tissue available from affected individuals in both kindreds provided the opportunity to compare their clinical, pathological, and biochemical phenotypes. Of note, studies of brain mRNA and soluble protein levels demonstrate a doubling of alpha-synuclein expression, consistent with molecular genetic data. Pathologically, cornu ammonis 2/3 hippocampal neuronal loss appears to be a defining feature of this form of inherited parkinsonism. The profound implications of alpha-synuclein overexpression for idiopathic synucleinopathies are discussed.

Gerard Schellenberg and colleagues report a genome-wide association study for progressive supranuclear palsy, a movement disorder with prominent tau neuropathology. They identified three new risk loci and confirmed the known risk locus at MAPT. Progressive supranuclear palsy (PSP) is a movement disorder with prominent tau neuropathology. Brain diseases with abnormal tau deposits are called tauopathies, the most common of which is Alzheimer's disease. Environmental causes of tauopathies include repetitive head trauma associated with some sports. To identify common genetic variation contributing to risk for tauopathies, we carried out a genome-wide association study of 1,114 individuals with PSP (cases) and 3,247 controls (stage 1) followed by a second stage in which we genotyped 1,051 cases and 3,560 controls for the stage 1 SNPs that yielded P ≤ 10−3. We found significant previously unidentified signals (P < 5 × 10−8) associated with PSP risk at STX6, EIF2AK3 and MOBP. We confirmed two independent variants in MAPT affecting risk for PSP, one of which influences MAPT brain expression. The genes implicated encode proteins for vesicle-membrane fusion at the Golgi-endosomal interface, for the endoplasmic reticulum unfolded protein response and for a myelin structural component.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) are age-related neurodegenerative disorders with shared genetic etiologies and overlapping clinical and pathological features. Here we studied a novel ALS/FTD family and identified the P362L mutation in the low-complexity domain (LCD) of T cell-restricted intracellular antigen-1 (TIA1). Subsequent genetic association analyses showed an increased burden of TIA1 LCD mutations in ALS patients compared to controls (p = 8.7 × 10-6). Postmortem neuropathology of five TIA1 mutations carriers showed a consistent pathological signature with numerous round, hyaline, TAR DNA-binding protein 43 (TDP-43)-positive inclusions. TIA1 mutations significantly increased the propensity of TIA1 protein to undergo phase transition. In live cells, TIA1 mutations delayed stress granule (SG) disassembly and promoted the accumulation of non-dynamic SGs that harbored TDP-43. Moreover, TDP-43 in SGs became less mobile and insoluble. The identification of TIA1 mutations in ALS/FTD reinforces the importance of RNA metabolism and SG dynamics in ALS/FTD pathogenesis.

Null mutations in the progranulin gene ( PGRN ) were recently reported to cause tau-negative frontotemporal dementia linked to chromosome 17. We assessed the genetic contribution of PGRN mutations in an extended population of patients with frontotemporal lobar degeneration (FTLD) ( N =378). Mutations were identified in 10% of the total FTLD population and 23% of patients with a positive family history. This mutation frequency dropped to 5% when analysis was restricted to an unbiased FTLD subpopulation ( N =167) derived from patients referred to Alzheimer's Disease Research Centers (ADRC). Among the ADRC patients, PGRN mutations were equally frequent as mutations in the tau gene ( MAPT ). We identified 23 different pathogenic PGRN mutations, including a total of 21 nonsense, frameshift and splice-site mutations that cause premature termination of the coding sequence and degradation of the mutant RNA by nonsense-mediated decay. We also observed an unusual splice-site mutation in the exon 1 5′ splice site, which leads to loss of the Kozac sequence, and a missense mutation in the hydrophobic core of the PGRN signal peptide. Both mutations revealed novel mechanisms that result in loss of functional PGRN. One mutation, c.1477C>T (p.Arg493X), was detected in eight independently ascertained familial FTLD patients who were shown to share a common extended haplotype over the PGRN genomic region. Clinical examination of patients with PGRN mutations revealed highly variable onset ages with language dysfunction as a common presenting symptom. Neuropathological examination showed FTLD with ubiquitin-positive cytoplasmic and intranuclear inclusions in all PGRN mutation carriers.

Autosomal dominant parkinsonism has been attributed to pathogenic amino acid substitutions in leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2). By sequencing multiplex families consistent with a PARK8 assignment, we identified a novel heterozygous LRRK2 mutation. A referral sample of 248 affected probands from families with autosomal dominant parkinsonism was subsequently assessed; 7 (2.8%) were found to carry a heterozygous LRRK2 6055G-->A transition (G2019S). These seven patients originate from the United States, Norway, Ireland, and Poland. In samples of patients with idiopathic Parkinson disease (PD) from the same populations, further screening identified six more patients with LRRK2 G2019S; no mutations were found in matched control individuals. Subsequently, 42 family members of the 13 probands were examined; 22 have an LRRK2 G2019S substitution, 7 with a diagnosis of PD. Of note, all patients share an ancestral haplotype indicative of a common founder, and, within families, LRRK2 G2019S segregates with disease (multipoint LOD score 2.41). Penetrance is age dependent, increasing from 17% at age 50 years to 85% at age 70 years. In summary, our study demonstrates that LRRK2 G2019S accounts for parkinsonism in several families within Europe and North America. Our work highlights the fact that a proportion of clinically typical, late-onset PD cases have a genetic basis.