ABSTRACT Huntington disease (HD) is an autosomal dominant neurological disorder that is caused by a CAG repeat expansion, translated into polyglutamine, in the huntingtin ( HTT) gene. Although the length of this repeat polymorphism is inversely correlated with age of onset (AOO), it does not fully explain the variability in AOO. Genomic studies have provided evidence for the involvement of DNA repair in modifying this trait, potentially through somatic repeat instability. We therefore assessed genetic variants within the 12bp interrupting sequence between the pathogenic CAG repeat and the polymorphic proline (CCG) tract in the HTT gene and identified variants that result in complete loss of interruption (LOI) between the adjacent CAG/CCG repeats. Analysis of multiple HD pedigrees showed that this variant is associated with dramatically earlier AOO and is particularly relevant to HD patients with reduced penetrance alleles. On average AOO of HD is hastened by an average of 25 years in LOI carriers. This finding indicates that the number of uninterrupted CAG repeats is the most significant contributor to AOO of HD and is more impactful than polyglutamine length, which is not altered in these patients. We show that the LOI variant is associated with increases in both somatic and germline repeat instability, demonstrating a potential mechanism for this effect. Screening individuals from the general population ( n =2,674 alleles) suggests that the variant occurs only in expanded CAG repeat alleles. Identification of this modifier has important clinical implications for disease management of HD families, especially for those in the reduced penetrance ranges.

Abstract Expansion of a single repetitive DNA sequence, termed a tandem repeat (TR), is known to cause more than 50 diseases. However, repeat expansions are often not explored beyond neurological and neurodegenerative disorders. In some cancers, mutations accumulate in short tracts of TRs (STRs), a phenomenon termed microsatellite instability (MSI); however larger repeat expansions have not been systematically analyzed in cancer. Here, we identified TR expansions in 2,622 cancer genomes, spanning 29 cancer types. In 7 cancer types, we found 160 recurrent repeat expansions (rREs); most of these (155/160) were subtype specific. We found that rREs were non-uniformly distributed in the genome with an enrichment near candidate cis-regulatory elements, suggesting a role in gene regulation. One rRE located near a regulatory element in the first intron of UGT2B7 was detected in 34% of renal cell carcinoma samples and was validated by long-read DNA sequencing. Moreover, targeting cells harboring this rRE with a rationally designed, sequence-specific DNA binder led to a dose-dependent decrease in cell proliferation. Overall, our results demonstrate that rREs are an important but unexplored source of genetic variation in human cancers, and we provide a comprehensive catalog for further study.

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 Bayesian framework to integrate de novo and case-control rare variation, we identify 102 risk genes at a false discovery rate ≤ 0.1. Of these genes, 49 show higher frequencies of disruptive de novo variants in individuals ascertained for severe neurodevelopmental delay, while 53 show higher frequencies in individuals ascertained for ASD; comparing ASD cases with mutations in these groups reveals phenotypic differences. Expressed early in brain development, most of the 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 human cortex single-cell gene expression data, expression of risk genes is enriched in both excitatory and inhibitory neuronal lineages, consistent with multiple paths to an excitatory/inhibitory imbalance underlying ASD.

Schizophrenia is a complex neuropsychiatric disorder. The etiology is not fully understood, but genetics plays an important role. Pathway analysis of genetic variants have suggested a central role for neuronal synaptic processes. Currently available antipsychotic medications successfully control positive symptoms (hallucinations and delusions) largely by inhibiting the dopamine D2 receptors; however, these drugs have more limited impact on negative symptoms (social withdrawal, flat affections, anhedonia) and cognitive deterioration. Drug development efforts have focused on a wide range of neurotransmitter systems and other agents, with conflicting or inconclusive results. New drug development paradigms are needed. A recent analysis, using common variant association results to match drugs based on their transcriptional perturbation signature, found drugs enriched in known antipsychotics plus novel candidates. We followed a similar approach, but started our analysis from a synaptic gene network implicated by rare copy number loss variants. We found that a significant number of antipsychotics (p-value = 0.0002) and other psychoactive drugs (p-value = 0.0004) upregulate synaptic network genes. Based on global gene expression similarity, active drugs formed two main clusters: one with many known antipsychotics and antidepressants, the other with various drug categories including two nootropics. We specifically recommend further examination of nootropics with limited side effects (meclofenoxate, piracetam and vinpocetine) for combination therapy with antipsychotics to improve cognitive performance. Detailed experimental follow-up is required to further evaluate other candidate drugs lacking an official nervous system indication, although, for at least a few of these, psychoactive effects have been reported in the literature.

Summary FAN1 nuclease is a modifier of repeat expansion diseases, including Huntington’s disease (HD), fragile X syndrome, and autism. The age of HD onset correlates with ongoing ‘inchworm-like’ repeat expansions (1-3 CAG units/event) in HD brains, and is regulated by three modifiers: The first two, repeat tract length and purity exert their effects by enhancing and slowing CAG expansions, respectively, by affecting the formation of slipped-DNAs — mutagenic intermediates of instability; which are processed to expansions by the third modifiers, DNA repair proteins. FAN1 protects against hyper-expansions of repeats, by unknown mechanisms. We show FAN1, through iterative cycles bound, dimerized and cleaved slipped-DNAs, yielding striking patterns of distinct exo -nuclease pauses along slip-outs; 5′-C↓A↓GC↓A↓G-3′ and 5′-C↓T↓G↓C↓T↓G-3′. The transcriptionally-displaced CAG strand was excised slower than its complementary CTG strand, required A•A and T•T mismatches, as fully-paired hairpins arrested excision progression, while disease-delaying CAA interruptions further slowed FAN1 excision. In contrast, endo -nucleolytic cleavage was insensitive to slip-outs. Rare FAN1 variants were found in autism individuals with CGG/CCG repeat expansions. Excision of CGG/CCG slip-outs were similarly excised, with CGG being slower than CCG. The slip-out specific ligand, Naphthyridine-Azaquinolone, shown to induce contractions of expanded repeats in cells, required FAN1 for its effect, and protected slip-outs from FAN1’s exo - but not endo -nucleolytic digestion. FAN1’s ‘inchworm’ pausing of slip-out excision is suited to minimize incremental expansions and modulating disease onset.