Summary

 We present the largest exome sequencing study of autism spectrum disorder (ASD) to date (n = 35,584 total samples, 11,986 with ASD). Using an enhanced analytical framework to integrate de novo and case-control rare variation, we identify 102 risk genes at a false discovery rate of 0.1 or less. Of these genes, 49 show higher frequencies of disruptive de novo variants in individuals ascertained to have severe neurodevelopmental delay, whereas 53 show higher frequencies in individuals ascertained to have ASD; comparing ASD cases with mutations in these groups reveals phenotypic differences. Expressed early in brain development, most risk genes have roles in regulation of gene expression or neuronal communication (i.e., mutations effect neurodevelopmental and neurophysiological changes), and 13 fall within loci recurrently hit by copy number variants. In cells from the human cortex, expression of risk genes is enriched in excitatory and inhibitory neuronal lineages, consistent with multiple paths to an excitatory-inhibitory imbalance underlying ASD.

The CommonMind Consortium sequenced RNA from dorsolateral prefrontal cortex of subjects with schizophrenia (N = 258) and control subjects (N = 279), creating a resource of gene expression and its genetic regulation. Using this resource, they found that ∼20% of schizophrenia loci have variants that may contribute to altered gene expression and liability. Over 100 genetic loci harbor schizophrenia-associated variants, yet how these variants confer liability is uncertain. The CommonMind Consortium sequenced RNA from dorsolateral prefrontal cortex of people with schizophrenia (N = 258) and control subjects (N = 279), creating a resource of gene expression and its genetic regulation. Using this resource, ∼20% of schizophrenia loci have variants that could contribute to altered gene expression and liability. In five loci, only a single gene was involved: FURIN, TSNARE1, CNTN4, CLCN3 or SNAP91. Altering expression of FURIN, TSNARE1 or CNTN4 changed neurodevelopment in zebrafish; knockdown of FURIN in human neural progenitor cells yielded abnormal migration. Of 693 genes showing significant case-versus-control differential expression, their fold changes were ≤ 1.33, and an independent cohort yielded similar results. Gene co-expression implicates a network relevant for schizophrenia. Our findings show that schizophrenia is polygenic and highlight the utility of this resource for mechanistic interpretations of genetic liability for brain diseases.

Genes overlap across psychiatric disease Many genome-wide studies have examined genes associated with a range of neuropsychiatric disorders. However, the degree to which the genetic underpinnings of these diseases differ or overlap is unknown. Gandal et al. performed meta-analyses of transcriptomic studies covering five major psychiatric disorders and compared cases and controls to identify coexpressed gene modules. From this, they found that some psychiatric disorders share global gene expression patterns. This overlap in polygenic traits in neuropsychiatric disorders may allow for better diagnosis and treatment. Science , this issue p. 693

Schizophrenia and bipolar disorder are two distinct diagnoses that share symptomology. Understanding the genetic factors contributing to the shared and disorder-specific symptoms will be crucial for improving diagnosis and treatment. In genetic data consisting of 53,555 cases (20,129 bipolar disorder [BD], 33,426 schizophrenia [SCZ]) and 54,065 controls, we identified 114 genome-wide significant loci implicating synaptic and neuronal pathways shared between disorders. Comparing SCZ to BD (23,585 SCZ, 15,270 BD) identified four genomic regions including one with disorder-independent causal variants and potassium ion response genes as contributing to differences in biology between the disorders. Polygenic risk score (PRS) analyses identified several significant correlations within case-only phenotypes including SCZ PRS with psychotic features and age of onset in BD. For the first time, we discover specific loci that distinguish between BD and SCZ and identify polygenic components underlying multiple symptom dimensions. These results point to the utility of genetics to inform symptomology and potential treatment.

Profound neuroplastic changes have been demonstrated in various limbic structures after chronic stress exposure and antidepressant treatment in animal models of mood disorders. Here, we examined in rats the effect of chronic social stress and concomitant antidepressant treatment on cell proliferation in the medial prefrontal cortex (mPFC). We also examined possible hemispheric differences. Animals were subjected to 5 weeks of daily social defeat by an aggressive conspecific and received concomitant, daily, oral fluoxetine (10 mg/kg) during the last 4 weeks. Bromodeoxyuridine (BrdU) labeling and quantitative stereological techniques were used to evaluate the treatment effects on proliferation and survival of newborn cells in limbic structures such as the mPFC and the hippocampal dentate gyrus, in comparison with nonlimbic structures such as the primary motor cortex and the subventricular zone. Phenotypic analysis showed that neurogenesis dominated the dentate gyrus, whereas in the mPFC most newborn cells were glia, with smaller numbers of endothelial cells. Chronic stress significantly suppressed cytogenesis in the mPFC and neurogenesis in the dentate gyrus, but had minor effect in nonlimbic structures. Fluoxetine treatment counteracted the inhibitory effect of stress. Hemispheric comparison revealed that the rate of cytogenesis was significantly higher in the left mPFC of control animals, whereas stress inverted this asymmetry, yielding a significantly higher incidence of newborn cells in the right mPFC. Fluoxetine treatment abolished hemispheric asymmetry in both control and stressed animals. These pronounced changes in gliogenesis after chronic stress exposure may relate to the abnormalities of glial cell numbers reported in the frontolimbic areas of depressed patients.

Despite significant research efforts aimed at understanding the neurobiological underpinnings of psychiatric disorders, the diagnosis and the evaluation of treatment of these disorders are still based solely on relatively subjective assessment of symptoms. Therefore, biological markers which could improve the current classification of psychiatry disorders, and in perspective stratify patients on a biological basis into more homogeneous clinically distinct subgroups, are highly needed. In order to identify novel candidate biological markers for major depression and schizophrenia, we have applied a focused proteomic approach using plasma samples from a large case-control collection. Patients were diagnosed according to DSM criteria using structured interviews and a number of additional clinical variables and demographic information were assessed. Plasma samples from 245 depressed patients, 229 schizophrenic patients and 254 controls were submitted to multi analyte profiling allowing the evaluation of up to 79 proteins, including a series of cytokines, chemokines and neurotrophins previously suggested to be involved in the pathophysiology of depression and schizophrenia. Univariate data analysis showed more significant p-values than would be expected by chance and highlighted several proteins belonging to pathways or mechanisms previously suspected to be involved in the pathophysiology of major depression or schizophrenia, such as insulin and MMP-9 for depression, and BDNF, EGF and a number of chemokines for schizophrenia. Multivariate analysis was carried out to improve the differentiation of cases from controls and identify the most informative panel of markers. The results illustrate the potential of plasma biomarker profiling for psychiatric disorders, when conducted in large collections. The study highlighted a set of analytes as candidate biomarker signatures for depression and schizophrenia, warranting further investigation in independent collections.

Abstract The availability of high-quality RNA-sequencing and genotyping data of post-mortem brain collections from consortia such as CommonMind Consortium (CMC) and the Accelerating Medicines Partnership for Alzheimer’s Disease (AMP-AD) Consortium enable the generation of a large-scale brain cis- eQTL meta-analysis. Here we generate cerebral cortical eQTL from 1433 samples available from four cohorts (identifying >4.1 million significant eQTL for >18,000 genes), as well as cerebellar eQTL from 261 samples (identifying 874,836 significant eQTL for >10,000 genes). We find substantially improved power in the meta-analysis over individual cohort analyses, particularly in comparison to the Genotype-Tissue Expression (GTEx) Project eQTL. Additionally, we observed differences in eQTL patterns between cerebral and cerebellar brain regions. We provide these brain eQTL as a resource for use by the research community. As a proof of principle for their utility, we apply a colocalization analysis to identify genes underlying the GWAS association peaks for schizophrenia and identify a potentially novel gene colocalization with lncRNA RP11-677M14.2 (posterior probability of colocalization 0.975).

Previous studies suggest that brain-derived neurotrophic factor and its receptor TrkB are critically involved in the therapeutic actions of antidepressant drugs. We have previously shown that the antidepressants imipramine and fluoxetine produce a rapid autophosphorylation of TrkB in the rodent brain. In the present study, we have further examined the biochemical and functional characteristics of antidepressant-induced TrkB activation in vivo. We show that all the antidepressants examined, including inhibitors of monoamine transporters and metabolism, activate TrkB rapidly in the rodent anterior cingulate cortex and hippocampus. Furthermore, the results indicate that acute and long-term antidepressant treatments induce TrkB-mediated activation of phospholipase-Cγ1 (PLCγ1) and increase the phosphorylation of cAMP-related element binding protein, a major transcription factor mediating neuronal plasticity. In contrast, we have not observed any modulation of the phosphorylation of TrkB Shc binding site, phosphorylation of mitogen-activated protein kinase or AKT by antidepressants. We also show that in the forced swim test, the behavioral effects of specific serotonergic antidepressant citalopram, but not those of the specific noradrenergic antidepressant reboxetine, are crucially dependent on TrkB signaling. Finally, brain monoamines seem to be critical mediators of antidepressant-induced TrkB activation, as antidepressants reboxetine and citalopram do not produce TrkB activation in the brains of serotonin- or norepinephrine-depleted mice. In conclusion, our data suggest that rapid activation of the TrkB neurotrophin receptor and PLCγ1 signaling is a common mechanism for all antidepressant drugs.

Major depressive disorder (MDD) is a notably complex illness with a lifetime prevalence of 14%. 1 It is often chronic or recurrent and is thus accompanied by considerable morbidity, excess mortality, substantial costs, and heightened risk of suicide. 2-7 MDD is a major cause of disability worldwide. 8 We conducted a genome-wide association (GWA) meta-analysis in 130,664 MDD cases and 330,470 controls, and identified 44 independent loci that met criteria for statistical significance. We present extensive analyses of these results which provide new insights into the nature of MDD. The genetic findings were associated with clinical features of MDD, and implicated prefrontal and anterior cingulate cortex in the pathophysiology of MDD (regions exhibiting anatomical differences between MDD cases and controls). Genes that are targets of antidepressant medications were strongly enriched for MDD association signals (P=8.5×10 −10 ), suggesting the relevance of these findings for improved pharmacotherapy of MDD. Sets of genes involved in gene splicing and in creating isoforms were also enriched for smaller MDD GWA P-values, and these gene sets have also been implicated in schizophrenia and autism. Genetic risk for MDD was correlated with that for many adult and childhood onset psychiatric disorders. Our analyses suggested important relations of genetic risk for MDD with educational attainment, body mass, and schizophrenia: the genetic basis of lower educational attainment and higher body mass were putatively causal for MDD whereas MDD and schizophrenia reflected a partly shared biological etiology. All humans carry lesser or greater numbers of genetic risk factors for MDD, and a continuous measure of risk underlies the observed clinical phenotype. MDD is not a distinct entity that neatly demarcates normalcy from pathology but rather a useful clinical construct associated with a range of adverse outcomes and the end result of a complex process of intertwined genetic and environmental effects. These findings help refine and define the fundamental basis of MDD.

Abstract Genome-Wide-Association studies have involved miR-137 in schizophrenia. However, the biology underlying this statistical evidence is unclear. Statistical polygenic risk for schizophrenia is associated with working memory, while other biological evidence involves miR-137 in emotion processing. We investigated the function of miR-137 target schizophrenia risk genes in humans. We identified a prefrontal co-expression pathway of schizophrenia-associated miR-137 targets and validated the association with miR-137 expression in neuroblastoma cells. Alleles predicting greater co-expression of this pathway were associated with greater prefrontal activation during emotion processing in two independent cohorts of healthy volunteers (N 1 =222; N 2 =136). Statistical polygenic risk for schizophrenia was instead associated with prefrontal activation during working memory. A co-expression pathway links miR-137 and its target genes to emotion processing and risk for schizophrenia. Low prefrontal miR-137 expression may be related with SCZ risk via increased expression of target risk genes, itself associated with increased prefrontal activation during emotion processing.