Genetic discoveries of Alzheimer's disease are the drivers of our understanding, and together with polygenetic risk stratification can contribute towards planning of feasible and efficient preventive and curative clinical trials. We first perform a large genetic association study by merging all available case-control datasets and by-proxy study results (discovery n = 409,435 and validation size n = 58,190). Here, we add six variants associated with Alzheimer's disease risk (near APP, CHRNE, PRKD3/NDUFAF7, PLCG2 and two exonic variants in the SHARPIN gene). Assessment of the polygenic risk score and stratifying by APOE reveal a 4 to 5.5 years difference in median age at onset of Alzheimer's disease patients in APOE ɛ4 carriers. Because of this study, the underlying mechanisms of APP can be studied to refine the amyloid cascade and the polygenic risk score provides a tool to select individuals at high risk of Alzheimer's disease.

Summary Dynamic intron retention (IR) in vertebrate cells is of widespread biological importance. Aberrant IR is associated with numerous human diseases including cancer. Despite consistent reports demonstrating intrinsic sequence features that predispose introns to become retained, conflicting findings about cell type-specific IR regulation demand a systematic analysis in a controlled experimental setting. We integrated matched transcriptomics and epigenetics data (including DNA methylation, nucleosome occupancy, histone modifications) from primary human myeloid and lymphoid cells. Using machine learning we trained two complementary models to determine the role of epigenetic factors in the regulation of IR. We show that increased chromatin accessibility contributes substantially to the retention of introns in a cell-specific manner. We also confirm that intrinsic characteristics of introns are key for them to evade splicing. With mounting reports linking pathogenic alterations to RNA processing, our findings may have profound implications for the design of therapeutic approaches targeting aberrant splicing.

Subcortical brain structures are integral to motion, consciousness, emotions, and learning. We identified common genetic variation related to the volumes of nucleus accumbens, amygdala, brainstem, caudate nucleus, globus pallidus, putamen, and thalamus, using genome-wide association analyses in over 40,000 individuals from CHARGE, ENIGMA and the UK-Biobank. We show that variability in subcortical volumes is heritable, and identify 25 significantly associated loci (20 novel). Annotation of these loci utilizing gene expression, methylation, and neuropathological data identified 62 candidate genes implicated in neurodevelopment, synaptic signaling, axonal transport, apoptosis, and susceptibility to neurological disorders. This set of genes is significantly enriched for Drosophila orthologs associated with neurodevelopmental phenotypes, suggesting evolutionarily conserved mechanisms. Our findings uncover novel biology and potential drug targets underlying brain development and disease.

Cortical thickness, surface area and volumes (MRI cortical measures) vary with age and cognitive function, and in neurological and psychiatric diseases. We examined heritability, genetic correlations and genome-wide associations of cortical measures across the whole cortex, and in 34 anatomically predefined regions. Our discovery sample comprised 22,824 individuals from 20 cohorts within the Cohorts for Heart and Aging Research in Genomic Epidemiology (CHARGE) consortium and the United Kingdom Biobank. Significant associations were replicated in the Enhancing Neuroimaging Genetics through Meta-analysis (ENIGMA) consortium, and their biological implications explored using bioinformatic annotation and pathway analyses. We identified genetic heterogeneity between cortical measures and brain regions, and 160 genome-wide significant associations pointing to wnt/β-catenin, TGF-β and sonic hedgehog pathways. There was enrichment for genes involved in anthropometric traits, hindbrain development, vascular and neurodegenerative disease and psychiatric conditions. These data are a rich resource for studies of the biological mechanisms behind cortical development and aging.

Summary Human brain structure changes throughout our lives. Altered brain growth or rates of decline are implicated in a vast range of psychiatric, developmental, and neurodegenerative diseases. Here, we identified common genetic variants that affect rates of brain growth or atrophy, in the first genome-wide association meta-analysis of changes in brain morphology across the lifespan. Longitudinal MRI data from 15,640 individuals were used to compute rates of change for 15 brain structures. The most robustly identified genes GPR139, DACH1 and APOE are associated with metabolic processes. We demonstrate global genetic overlap with depression, schizophrenia, cognitive functioning, insomnia, height, body mass index and smoking. Gene-set findings implicate both early brain development and neurodegenerative processes in the rates of brain changes. Identifying variants involved in structural brain changes may help to determine biological pathways underlying optimal and dysfunctional brain development and ageing.

General cognitive function is a prominent human trait associated with many important life outcomes including longevity. The substantial heritability of general cognitive function is known to be polygenic, but it has had little explication in terms of the contributing genetic variants. Here, we combined cognitive and genetic data from the CHARGE and COGENT consortia, and UK Biobank (total N=280,360; age range = 16 to 102). We found 9,714 genome-wide significant SNPs (P<5 x 10-8) in 99 independent loci. Most showed clear evidence of functional importance. Among many novel genes associated with general cognitive function were SGCZ, ATXN1, MAPT, AUTS2, and P2RY6. Within the novel genetic loci were variants associated with neurodegenerative disorders, neurodevelopmental disorders, physical and psychiatric illnesses, brain structure, and BMI. Gene-based analyses found 536 genes significantly associated with general cognitive function; many were highly expressed in the brain, and associated with neurogenesis and dendrite gene sets. Genetic association results predicted up to 4% of general cognitive function variance in independent samples. There was significant genetic overlap between general cognitive function and information processing speed, as well as many health variables including longevity.

Abstract DNA replication timing and three-dimensional (3D) genome organisation occur across large domains associated with distinct epigenome patterns to functionally compartmentalise genome regulation. However, it is still unclear if alternations in the epigenome, in particular cancer-related DNA hypomethylation, can directly result in alterations to cancer higher order genome architecture. Here, we use Hi-C and single cell Repli-Seq, in the colorectal cancer DNMT1 and DNMT3B DNA methyltransferases double knockout model, to determine the impact of DNA hypomethylation on replication timing and 3D genome organisation. First, we find that the hypomethylated cells show a striking loss of replication timing precision with gain of cell-to-cell replication timing heterogeneity and loss of 3D genome compartmentalisation. Second, hypomethylated regions that undergo a large change in replication timing also show loss of allelic replication timing, including at cancer-related genes. Finally, we observe the formation of broad ectopic H3K4me3-H3K9me3 domains across hypomethylated regions where late replication is maintained, that potentially prevent aberrant transcription and loss of genome organisation after DNA demethylation. Together, our results highlight a previously underappreciated role for DNA methylation in maintenance of 3D genome architecture.

DNA methylation, which is modulated by both genetic factors and environmental exposures, may offer a unique opportunity to discover novel biomarkers of disease-related brain phenotypes, even when measured in other tissues than brain, such as blood. A few studies of small sample sizes have revealed associations between blood DNA methylation and neuropsychopathology, however, large-scale epigenome-wide association studies (EWAS) are needed to investigate the utility of DNA methylation profiling as a peripheral marker for the brain. Here, in an analysis of eleven international cohorts, totalling 3,337 individuals, we report epigenome-wide meta-analyses of blood DNA methylation with volumes of the hippocampus, thalamus and nucleus accumbens (NAcc) -three subcortical regions selected for their associations with disease and heritability and volumetric variability. Analyses of individual CpGs revealed genome-wide significant associations with hippocampal volume at two loci. No significant associations were found for analyses of thalamus and nucleus accumbens volumes. CpG sites associated with hippocampus volume were significantly enriched within cancer-related genes and within regulatory elements containing the transcriptionally repressive histone H3K27 tri-methylation mark that is vital for stem cell fate specification. Cluster-based analyses revealed additional differentially methylated regions (DMRs) associated with hippocampal volume. DNA methylation at these loci affected expression of proximal genes involved in in learning and memory, stem cell maintenance and differentiation, fatty acid metabolism and type-2 diabetes. These DNA methylation marks, their interaction with genetic variants and their impact on gene expression offer new insights into the relationship between epigenetic variation and brain structure and may provide the basis for biomarker discovery in neurodegeneration and neuropsychiatric conditions.

The radial unit hypothesis provides a framework for global (proliferation) and regional (distribution) expansion of the primate cerebral cortex. Using principal component analysis (PCA), we have identified cortical regions with shared variance in their surface area and cortical thickness, respectively, segmented from magnetic resonance images obtained in 23,800 participants. We then carried out meta-analyses of genome-wide association studies of the first two principal components for each phenotype. For surface area (but not cortical thickness), we have detected strong associations between each of the components and single nucleotide polymorphisms in a number of gene loci. The first (global) component was associated mainly with loci on chromosome 17 (9.5e-32 ≤ p ≤ 2.8e-10), including those detected previously as linked with intracranial volume and/or general cognitive function. The second (regional) component captured shared variation in the surface area of the primary and adjacent secondary visual cortices and showed a robust association with polymorphisms in a locus on chromosome 14 containing Disheveled Associated Activator of Morphogenesis 1 ( DAAM1 ; p =2.4e-34). DAAM1 is a key component in the planar-cell-polarity signaling pathway. In follow-up studies, we have focused on the latter finding and established that: (1) DAAM1 is highly expressed between 12th and 22nd post-conception weeks in the human cerebral cortex; (2) genes co-expressed with DAAM1 in the primary visual cortex are enriched in mitochondria-related pathways; and (3) volume of the lateral geniculate nucleus, which projects to regions of the visual cortex staining for cytochrome oxidase (a mitochondrial enzyme), correlates with the surface area of the visual cortex in major-allele homozygotes but not in carriers of the minor allele. Altogether, we speculate that, in concert with thalamocortical input to cortical subplate, DAAM1 enables migration of neurons to cytochrome-oxidase rich regions of the visual cortex, and, in turn, facilitates regional expansion of this set of cortical regions during development.

Replication timing is known to facilitate the establishment of epigenome, however, the intimate connection between DNA replication timing and changes to the genome and epigenome in cancer remain uncharted. Here, we perform Repli-Seq and integrated epigenome analysis and show that early-replicating loci are predisposed to hypermethylation and late-replicating loci to hypomethylation, enrichment of H3K27me3 and concomitant loss of H3K9me3. We find that altered replication timing domains correspond to long-range epigenetically deregulated regions in prostate cancer, and a subset of these domains are remarkably conserved across cancers from different tissue origins. Analyses of 214 prostate and 35 breast cancer genomes reveal that late-replicating DNA is prone to cis and early- replicating DNA to trans chromosomal rearrangements. We propose that differences in epigenetic deregulation related to spatial and temporal positioning between early and late replication potentiate the landscape of chromosomal rearrangements in cancer.