Abstract Fully automated proteomic pipelines have the potential to achieve deep coverage of cellular proteomes with high throughput and scalability. However, it is important to evaluate performance, including both reproducibility and ability to provide meaningful levels of biological insight. Here, we present an approach combining high field asymmetric waveform ion mobility spectrometer (FAIMS) interface and data independent acquisition (DIA) proteomics approach developed as part of the induced pluripotent stem cell (iPSC) Neurodegenerative Disease Initiative (iNDI), a large-scale effort to understand how inherited diseases may manifest in neuronal cells. Our FAIMS-DIA approach identified more than 8000 proteins per mass spectrometry (MS) acquisition as well as superior total identification, reproducibility, and accuracy compared to other existing DIA methods. Next, we applied this approach to perform a longitudinal proteomic profiling of the differentiation of iPSC-derived neurons from the KOLF2.1J parental line used in iNDI. This analysis demonstrated a steady increase in expression of mature cortical neuron markers over the course of neuron differentiation. We validated the performance of our proteomics pipeline by comparing it to single cell RNA-Seq datasets obtained in parallel, confirming expression of key markers and cell type annotations. An interactive webapp of this temporal data is available for aligned-UMAP visualization and data browsing ( https://share.streamlit.io/anant-droid/singlecellumap ). In summary, we report an extensively optimized and validated proteomic pipeline that will be suitable for large-scale studies such as iNDI.

Abstract Human induced pluripotent stem cell (iPSC) lines are a powerful tool for studying development and disease, but the considerable phenotypic variation between lines makes it challenging to replicate key findings and integrate data across research groups. To address this issue, we sub-cloned candidate iPSC lines and deeply characterised their genetic properties using whole genome sequencing, their genomic stability upon CRISPR/Cas9-based gene editing, and their phenotypic properties including differentiation to commonly-used cell types. These studies identified KOLF2.1J as an all-around well-performing iPSC line. We then shared KOLF2.1J with groups around the world who tested its performance in head-to-head comparisons with their own preferred iPSC lines across a diverse range of differentiation protocols and functional assays. On the strength of these findings, we have made KOLF2.1J and hundreds of its gene-edited derivative clones readily accessible to promote the standardization required for large-scale collaborative science in the stem cell field. Summary The authors of this collaborative study deeply characterized human induced pluripotent stem cell (iPSC) lines to rationally select a clonally-derived cell line that performs well across multiple modalities. KOLF2.1J was identified as a candidate reference cell line based on single-cell analysis of its gene expression in the pluripotent state, whole genome sequencing, genomic stability after highly efficient CRISPR-mediated gene editing, integrity of the p53 pathway, and the efficiency with which it differentiated into multiple target cell populations. Since it is deeply characterized and can be readily acquired, KOLF2.1J is an attractive reference cell line for groups working with iPSCs. Graphical abstract

Abstract Modeling human disease in human stem cells requires precise, scarless editing of single nucleotide variants (SNV) on one or both chromosomes. Here we describe improved conditions for Cas9 RNP editing of SNVs that yield high rates of biallelic homology-directed repair. To recover both heterozygous and homozygous SNV clones, catalytically inactive ‘dCas9’was added to moderate high activity Cas9 RNPs. dCas9 can also block re-cutting and damage to SNV alleles engineered with non-overlapping guide RNAs.

Objective: The aim of this study was to search for genes/variants that modify the effect of LRRK2 mutations in terms of penetrance and age-at-onset of Parkinson's disease. Methods: We performed the first genome-wide association study of penetrance and age-at-onset of Parkinson's disease in LRRK2 mutation carriers (776 cases and 1,103 non-cases at their last evaluation). Cox proportional hazard models and linear mixed models were used to identify modifiers of penetrance and age-at-onset of LRRK2 mutations, respectively. We also investigated whether a polygenic risk score derived from a published genome-wide association study of Parkinson's disease was able to explain variability in penetrance and age-at-onset in LRRK2 mutation carriers. Results: A variant located in the intronic region of CORO1C on chromosome 12 (rs77395454; P-value=2.5E-08, beta=1.27, SE=0.23, risk allele: C) met genome-wide significance for the penetrance model. A region on chromosome 3, within a previously reported linkage peak for Parkinson's disease susceptibility, showed suggestive associations in both models (penetrance top variant: P-value=1.1E-07; age-at-onset top variant: P-value=9.3E-07). A polygenic risk score derived from publicly available Parkinson's disease summary statistics was a significant predictor of penetrance, but not of age-at-onset. Interpretation: This study suggests that variants within or near CORO1C may modify the penetrance of LRRK2 mutations. In addition, common Parkinson's disease associated variants collectively increase the penetrance of LRRK2 mutations.

Abstract The FOUNdational Data INitiative for Parkinson’s Disease (FOUNDIN-PD) is an international collaboration producing fundamental resources for Parkinson’s disease (PD). FOUNDIN-PD generated a multi-layered molecular dataset in a cohort of induced pluripotent stem cell (iPSC) lines differentiated to dopaminergic (DA) neurons, a major affected cell type in PD. The lines were derived from the Parkinson’s Progression Markers Initiative study including participants with PD carrying monogenic PD ( SNCA ) variants, variants with intermediate effects and variants identified by genome-wide association studies and unaffected individuals. We generated genetic, epigenetic, regulatory, transcriptomic, and longitudinal cellular imaging data from iPSC-derived DA neurons to understand molecular relationships between disease associated genetic variation and proximate molecular events. These data reveal that iPSC-derived DA neurons provide a valuable cellular context and foundational atlas for modelling PD genetic risk. We have integrated these data into a FOUNDIN-PD data browser ( https://www.foundinpd.org ) as a resource for understanding the molecular pathogenesis of PD.

Abstract BACKGROUND Synucleinopathies are a group of neurodegenerative disorders that are pathologically characterized by the accumulation of protein aggregates called Lewy Bodies. Lewy bodies are primarily composed of α-synuclein (asyn) protein, which is phosphorylated at serine 129 (pS129) when aggregated. Currently available commercial antibodies used to stain for pS129 asyn can cross react with other proteins, thus making it difficult to specifically detect endogenous pS129 asyn and to interpret pS129 asyn staining. OBJECTIVE To develop a staining procedure that detects pS129 asyn with high specificity and low background. METHODS We use the fluorescent and brightfield in situ Proximity Ligation Assay (PLA) to specifically detect pS129 asyn in cell culture, mouse and human brain sections. RESULTS The pS129 asyn PLA specifically stained for endogenous, soluble pS129 asyn in cell culture, mouse brain sections, and human brain tissue without significant cross-reactivity or background signal. CONCLUSIONS This PLA method can be used to specifically detect pS129 asyn in order to further explore and understand its role in health and disease.

Abstract Parkinson’s disease is a complex neurodegenerative disorder, affecting approximately one million individuals in the USA alone. A significant proportion of risk for Parkinson’s disease is driven by genetics. Despite this, the majority of the common genetic variation that contributes to disease risk is unknown, in-part because previous genetic studies have focussed solely on the contribution of single nucleotide variants. Structural variants represent a significant source of genetic variation in the human genome. However, because assay of this variability is challenging, structural variants have not been cataloged on a genome-wide scale, and their contribution to the risk of Parkinson’s disease remains unknown. In this study, we 1) leveraged the GATK-SV pipeline to detect and genotype structural variants in 7,772 short-read sequencing data and 2) generated a subset of matched whole-genome Oxford Nanopore Technologies long-read sequencing data from the PPMI cohort to allow for comprehensive structural variant confirmation. We detected, genotyped, and tested 3,154 “high-confidence” common structural variant loci, representing over 412 million nucleotides of non-reference genetic variation. Using the long-read sequencing data, we validated three structural variants that may drive the association signals at known Parkinson’s disease risk loci, including a 2kb intronic deletion within the gene LRRN4 . Further, we confirm that the majority of structural variants in the human genome cannot be detected using short-read sequencing alone, encompassing on average around 4 million nucleotides of inaccessible sequence per genome. Therefore, although these data provide the most comprehensive survey of the contribution of structural variants to the genetic risk of Parkinson’s disease to date, this study highlights the need for large-scale long-read datasets to fully elucidate the role of structural variants in Parkinson’s disease.

ABSTRACT Despite the considerable progress in unraveling the genetic causes of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), we do not fully understand the molecular mechanisms underlying the disease. We analyzed genome-wide data involving 78,500 individuals using a polygenic risk score approach to identify the biological pathways and cell types involved in ALS. This data-driven approach identified multiple aspects of the biology underlying the disease that resolved into broader themes, namely neuron projection morphogenesis, membrane trafficking , and signal transduction mediated by ribonucleotides . We also found that genomic risk in ALS maps consistently to GABAergic cortical interneurons and oligodendrocytes, as confirmed in human single-nucleus RNA-seq data. Using two-sample Mendelian randomization, we nominated five differentially expressed genes ( ATG16L2, ACSL5, MAP1LC3A, PLXNB2 , and SCFD1 ) within the significant pathways as relevant to ALS. We conclude that the disparate genetic etiologies of this fatal neurological disease converge on a smaller number of final common pathways and cell types.

Abstract Coding mutations in the LRRK2 gene, encoding for a large protein kinase, have been shown to cause familial Parkinson’s disease (PD). The immediate biological consequence of LRRK2 mutations is to increase kinase activity, leading to the suggestion that inhibition of this enzyme might be useful therapeutically to slow disease progression. Genome-wide association studies have identified the chromosomal loci around LRRK2 and one of its proposed substrates, RAB29 , as contributors towards the lifetime risk of sporadic PD. Considering the evidence for interactions between LRRK2 and RAB29 on the genetic and protein levels, here we generated a double knockout mouse model and determined whether there are any consequences on brain function with aging. From a battery of motor and non-motor behavioral tests, we noted only that 18-24 month Rab29 -/- and double ( Lrrk2 -/- /Rab29 -/- ) knockout mice had diminished locomotor behavior in open field compared to wildtype mice. However, no genotype differences were seen in number of substantia nigra pars compacta (SNc) dopamine neurons or in tyrosine hydroxylase levels in the SNc and striatum, which might reflect a PD-like pathology. These results suggest that depletion of both Lrrk2 and Rab29 is tolerated, at least in mice, and support that this pathway might be able to be safely targeted for therapeutics in humans. Significance statement Genetic variation in LRRK2 that result in elevated kinase activity can cause Parkinson’s disease (PD), suggesting LRRK2 inhibition as a therapeutic strategy. RAB29, a substrate of LRRK2, has also been associated with increased PD risk. Evidence exists for an interactive relationship between LRRK2 and RAB29. Mouse models lacking either LRRK2 or RAB29 do not show brain pathologies. We hypothesized that the loss of both targets would result in additive effects across in vivo and post-mortem assessments in aging mice. We found that loss of both LRRK2 and RAB29 did not result in significant behavioral deficits or dopamine neuron loss. This evidence suggests that chronic inhibition of this pathway should be tolerated clinically.

Abstract LRRK2 is a kinase involved in different cellular functions, including autophagy, endolysosomal pathways and vesicle trafficking. Mutations in LRRK2 cause autosomal dominant forms of Parkinson’s disease (PD). Heterozygous mutations in GBA1 , the gene encoding the lysosomal enzyme glucocerebrosidase (GCase), are the most common genetic risk factors for PD. Moreover, GCase function is altered in idiopathic PD and in other genetic forms of the disease. Recent work suggests that LRRK2 kinase activity can regulate GCase function. However, both a positive and a negative correlation have been described. To gain insights into the impact of LRRK2 on GCase, we investigated GCase levels and activity in LRRK2 G2019S knockin mice, in clinical biospecimens from PD patients carrying this mutation and in patient-derived cellular models. In these models we found a positive correlation between the activities of LRRK2 and GCase, which was further confirmed in cell lines with genetic and pharmacological manipulation of LRRK2 kinase activity. Overall, our study indicates that LRRK2 kinase activity affects both the levels and the catalytic activity of GCase.