Summary Human genetic studies have provided a wealth of information on genetic risk factors associated with neuropsychiatric diseases. However, whether different brain cell types are differentially affected in disease states and when in their development and maturation alterations occur is still poorly understood. Here we generated a longitudinal transcriptional map of excitatory projection neuron (PN) and inhibitory interneuron (IN) subtypes of the cerebral cortex, across a timeline of mouse embryonic and postnatal development, as well as fetal human cortex and human cortical organoids. We found that three types of gene signatures uniquely defined each cortical neuronal subtype: dynamic (developmental), adult (terminal), and constitutive (stable), with individual neuronal subtypes varying in the degree of similarity of their signatures between species. In particular, human callosal projection neurons (CPN) displayed the greatest species divergence, with molecular signatures highly enriched for non-coding, human-specific RNAs. Evaluating the association of neuronal class-specific signatures with neuropsychiatric disease risk genes using linkage disequilibrium score regression showed that schizophrenia risk genes were enriched in CPN identity signatures from human but not mouse cortex. Human cortical organoids confirmed the association with excitatory projection neurons. The data indicate that risk gene enrichment is both species- and cell type-specific. Our study reveals molecular determinants of cortical neuron diversification and identifies human callosal projection neurons as the most species-divergent population and a potentially vulnerable neuronal class in schizophrenia.

X chromosome inactivation (XCI) silences the transcription from one of the two X chromosomes in mammalian female cells to balance expression dosage between XX females and XY males. XCI is, however, characteristically incomplete in humans: up to one third of X-chromosomal genes are expressed from both the active and inactive X chromosomes (Xa and Xi, respectively) in female cells, with the degree of "escape" from inactivation varying between genes and individuals1,2 (Fig. 1). However, the extent to which XCI is shared between cells and tissues remains poorly characterized3,4, as does the degree to which incomplete XCI manifests as detectable sex differences in gene expression5 and phenotypic traits6. Here we report a systematic survey of XCI using a combination of over 5,500 transcriptomes from 449 individuals spanning 29 tissues, and 940 single-cell transcriptomes, integrated with genomic sequence data (Fig. 1). By combining information across these data types we show that XCI at the 683 X-chromosomal genes assessed is generally uniform across human tissues, but identify examples of heterogeneity between tissues, individuals and cells. We show that incomplete XCI affects at least 23% of X-chromosomal genes, identify seven new escape genes supported by multiple lines of evidence, and demonstrate that escape from XCI results in sex biases in gene expression, thus establishing incomplete XCI as a likely mechanism introducing phenotypic diversity6,7. Overall, this updated catalogue of XCI across human tissues informs our understanding of the extent and impact of the incompleteness in the maintenance of XCI.

Migraine is a debilitating neurological disorder affecting around 1 in 7 people worldwide, but its molecular mechanisms remain poorly understood. Some debate exists over whether migraine is a disease of vascular dysfunction, or a result of neuronal dysfunction with secondary vascular changes. Genome-wide association (GWA) studies have thus far identified 13 independent loci associated with migraine. To identify new susceptibility loci, we performed the largest genetic study of migraine to date, comprising 59,674 cases and 316,078 controls from 22 GWA studies. We identified 45 independent single nucleotide polymorphisms (SNPs) significantly associated with migraine risk (P < 5 x 10-8) that map to 38 distinct genomic loci, including 28 loci not previously reported and the first locus identified on chromosome X. Furthermore, a subset analysis for migraine without aura (MO) identified seven of the same loci as from the full sample, whereas no loci reached genome-wide significance in the migraine with aura (MA) subset. In subsequent computational analyzes, the identified loci showed enrichment for genes expressed in vascular and smooth muscle tissues, consistent with a predominant theory of migraine that highlights vascular etiologies.

To discover novel genetic risk factors underlying amyotrophic lateral sclerosis (ALS), we aggregated exomes from 3,864 cases and 7,839 ancestry matched controls. We observed a significant excess of ultra-rare and rare protein-truncating variants (PTV) among ALS cases, which was primarily concentrated in constrained genes; however, a significant enrichment in PTVs does persist in the remaining exome. Through gene level analyses, known ALS genes, SOD1, NEK1, and FUS, were the most strongly associated with disease status. We also observed suggestive statistical evidence for multiple novel genes including DNAJC7, which is a highly constrained gene and a member of the heat shock protein family (HSP40). HSP40 proteins, along with HSP70 proteins, facilitate protein homeostasis, such as folding of newly synthesized polypeptides, and clearance of degraded proteins. When these processes are not regulated, misfolding and accumulation of degraded proteins can occur leading to aberrant protein aggregation, one of the pathological hallmarks of neurodegeneration.

There is a limited understanding about the impact of rare protein truncating variants across multiple phenotypes. We explore the impact of this class of variants on 13 quantitative traits and 10 diseases using whole-exome sequencing data from 100,296 individuals. Protein truncating variants in genes intolerant to this class of mutations increased risk of autism, schizophrenia, bipolar disorder, intellectual disability, ADHD. In individuals without these disorders, there was an association with shorter height, lower education, increased hospitalization and reduced age. Gene sets implicated from GWAS did not show a significant protein truncating variants-burden beyond what captured by established Mendelian genes. In conclusion, we provide the most thorough investigation to date of the impact of rare deleterious coding variants on complex traits, suggesting widespread pleiotropic risk.

Sequencing-based studies have identified novel risk genes for rare, severe epilepsies and revealed a role of rare deleterious variation in common epilepsies. To identify the shared and distinct ultra-rare genetic risk factors for rare and common epilepsies, we performed a whole-exome sequencing (WES) analysis of 9,170 epilepsy-affected individuals and 8,364 controls of European ancestry. We focused on three phenotypic groups; the rare but severe developmental and epileptic encephalopathies (DEE), and the commoner phenotypes of genetic generalized epilepsy (GGE) and non-acquired focal epilepsy (NAFE). We observed that compared to controls, individuals with any type of epilepsy carried an excess of ultra-rare, deleterious variants in constrained genes and in genes previously associated with epilepsy, with the strongest enrichment seen in DEE and the least in NAFE. Moreover, we found that inhibitory GABAA receptor genes were enriched for missense variants across all three classes of epilepsy, while no enrichment was seen in excitatory receptor genes. The larger gene groups for the GABAergic pathway or cation channels also showed a significant mutational burden in DEE and GGE. Although no single gene surpassed exome-wide significance among individuals with GGE or NAFE, highly constrained genes and genes encoding ion channels were among the top associations, including CACNA1G, EEF1A2, and GABRG2 for GGE and LGI1, TRIM3, and GABRG2 for NAFE. Our study confirms a convergence in the genetics of common and rare epilepsies associated with ultra-rare coding variation and highlights a ubiquitous role for GABAergic inhibition in epilepsy etiology in the largest epilepsy WES study to date.

Ultra-rare inherited and de novo disruptive variants in highly constrained (HC) genes are enriched in neurodevelopmental disorders. However, their impact on cognition in the general population has not been explored. We hypothesize that disruptive and damaging ultra-rare variants (URVs) in HC genes not only confer risk to neurodevelopmental disorders, but also influence general cognitive abilities measured indirectly by years of education (YOE). We tested this hypothesis in 14,133 individuals with whole exome or genome sequencing data. The presence of one or more URVs was associated with a decrease in YOE (3.1 months less for each additional mutation; P-value=3.3x10-8) and the effect was stronger in HC genes enriched for brain expression (6.5 months less, P-value=3.4x10-5). The effect of these variants was more pronounced than the estimated effects of runs of homozygosity and pathogenic copy number variation. Our findings suggest that effects of URVs in HC genes are not confined to severe neurodevelopmental disorder, but influence the cognitive spectrum in the general population.

Background: Microdeletions are known to confer risk to epilepsy, particularly at genomic rearrangement hotspot loci. However, deciphering their role outside hotspots and risk assessment by epilepsy sub-type has not been conducted. Methods: We assessed the burden, frequency and genomic content of rare, large microdeletions found in a previously published cohort of 1,366 patients with Genetic Generalized Epilepsy (GGE) plus two sets of additional unpublished genome-wide microdeletions found in 281 Rolandic Epilepsy (RE) and 807 Adult Focal Epilepsy (AFE) patients, totaling 2,454 cases. These microdeletion sets were assessed in a combined analysis and in sub-type specific approaches against 6,746 ethnically matched controls. Results: When hotspots are considered, we detected an enrichment of microdeletions in the combined epilepsy analysis (adjusted-P= 2.00x10-7; OR = 1.89; 95%-CI: 1.51-2.35), where the implicated microdeletions overlapped with rarely deleted genes and those involved in neurodevelopmental processes. Sub-type specific analyses showed that hotspot deletions in the GGE subgroup contribute most of the signal (adjusted-P = 1.22x10-12; OR = 7.45; 95%-CI = 4.20-11.97). Outside hotspot loci, microdeletions were enriched in the GGE cohort for neurodevelopmental genes (adjusted-P = 4.78x10-3; OR = 2.30; 95%-CI = 1.42-3.70), whereas no additional signal was observed for RE and AFE. Still, gene content analysis was able to identify known (NRXN1, RBFOX1 and PCDH7) and novel (LOC102723362) candidate genes affected in more than one epilepsy sub-type but not in controls. Conclusions: Our results show a heterogeneous effect of recurrent and non-recurrent microdeletions as part of the genetic architecture of GGE and a minor to negligible contribution in the etiology of RE and AFE.

Genetics can provide a systematic approach to discovering the tissues and cell types relevant for a complex disease or trait. Identifying these tissues and cell types is critical for following up on non-coding allelic function, developing ex-vivo models, and identifying therapeutic targets. Here, we analyze gene expression data from several sources, including the GTEx and PsychENCODE consortia, together with genome-wide association study (GWAS) summary statistics for 48 diseases and traits with an average sample size of 169,331, to identify disease-relevant tissues and cell types. We develop and apply an approach that uses stratified LD score regression to test whether disease heritability is enriched in regions surrounding genes with the highest specific expression in a given tissue. We detect tissue-specific enrichments at FDR < 5% for 34 diseases and traits across a broad range of tissues that recapitulate known biology. In our analysis of traits with observed central nervous system enrichment, we detect an enrichment of neurons over other brain cell types for several brain-related traits, enrichment of inhibitory over excitatory neurons for bipolar disorder but excitatory over inhibitory neurons for schizophrenia and body mass index, and enrichments in the cortex for schizophrenia and in the striatum for migraine. In our analysis of traits with observed immunological enrichment, we identify enrichments of T cells for asthma and eczema, B cells for primary biliary cirrhosis, and myeloid cells for Alzheimer's disease, which we validated with independent chromatin data. Our results demonstrate that our polygenic approach is a powerful way to leverage gene expression data for interpreting GWAS signal.

Multiple mRNA isoforms can be generated from a single gene locus through alternative splicing. Abnormality in alternative splicing has been linked to many human disorders. Here using RNA-seq data from 48 tissues from GTEx v7 release and summary statistics from GWAS of complex diseases and traits, we present a study to identify genomic variants regulating junction-skipping with the goal to understand their contribution to complex diseases and traits. For each tissue, we found 48 - 575 junction-skipping events regulated by genomic variants. We performed fine-mapping on both the junction-skipping association and 23 complex disease and trait associations and mapped them to 95% credible sets. We found 13 - 279 junction-skipping regulations were mapped to a credible set with ≤5 variants. On the genome-wide scale, we noted a clear disease-tissue specificity. Results from this approach provided critical insights into the functional mechanism of the genetic disease associations and contributed to our understanding of the genetic architecture of human complex disorders.