ABSTRACT Age is the dominant risk factor for most chronic human diseases; yet the mechanisms by which aging confers this risk are largely unknown. 1 Recently, the age-related acquisition of somatic mutations in regenerating hematopoietic stem cell populations was associated with both hematologic cancer incidence 2–4 and coronary heart disease prevalence. 5 Somatic mutations with leukemogenic potential may confer selective cellular advantages leading to clonal expansion, a phenomenon termed ‘Clonal Hematopoiesis of Indeterminate Potential’ (CHIP). 6 Simultaneous germline and somatic whole genome sequence analysis now provides the opportunity to identify root causes of CHIP. Here, we analyze high-coverage whole genome sequences from 97,691 participants of diverse ancestries in the NHLBI TOPMed program and identify 4,229 individuals with CHIP. We identify associations with blood cell, lipid, and inflammatory traits specific to different CHIP genes. Association of a genome-wide set of germline genetic variants identified three genetic loci associated with CHIP status, including one locus at TET2 that was African ancestry specific. In silico -informed in vitro evaluation of the TET2 germline locus identified a causal variant that disrupts a TET2 distal enhancer. Aggregates of rare germline loss-of-function variants in CHEK2 , a DNA damage repair gene, predisposed to CHIP acquisition. Overall, we observe that germline genetic variation altering hematopoietic stem cell function and the fidelity of DNA-damage repair increase the likelihood of somatic mutations leading to CHIP.

The majority of JAK2 V617F -negative myeloproliferative neoplasms (MPNs) have disease-initiating frameshift mutations in calreticulin ( CALR ), resulting in a common carboxyl-terminal mutant fragment (CALR MUT ), representing an attractive source of neoantigens for cancer vaccines. However, studies have shown that CALR MUT -specific T cells are rare in patients with CALR MUT MPN for unknown reasons. We examined class I major histocompatibility complex (MHC-I) allele frequencies in patients with CALR MUT MPN from two independent cohorts. We observed that MHC-I alleles that present CALR MUT neoepitopes with high affinity are underrepresented in patients with CALR MUT MPN. We speculated that this was due to an increased chance of immune-mediated tumor rejection by individuals expressing one of these MHC-I alleles such that the disease never clinically manifested. As a consequence of this MHC-I allele restriction, we reasoned that patients with CALR MUT MPN would not efficiently respond to a CALR MUT fragment cancer vaccine but would when immunized with a modified CALR MUT heteroclitic peptide vaccine approach. We found that heteroclitic CALR MUT peptides specifically designed for the MHC-I alleles of patients with CALR MUT MPN efficiently elicited a CALR MUT cross-reactive CD8 + T cell response in human peripheral blood samples but not to the matched weakly immunogenic CALR MUT native peptides. We corroborated this effect in vivo in mice and observed that C57BL/6J mice can mount a CD8 + T cell response to the CALR MUT fragment upon immunization with a CALR MUT heteroclitic, but not native, peptide. Together, our data emphasize the therapeutic potential of heteroclitic peptide–based cancer vaccines in patients with CALR MUT MPN.

Abstract Missense mutations in the gene encoding the microtubule-associated protein tau cause autosomal dominant forms of frontotemporal dementia. Multiple models of frontotemporal dementia based on transgenic expression of human tau in experimental model organisms, including Drosophila , have been described. These models replicate key features of the human disease, but do not faithfully recreate the genetic context of the human disorder. Here we use CRISPR-Cas mediated gene editing to model frontotemporal dementia caused by the tau P301L mutation by creating the orthologous mutation, P251L, in the endogenous Drosophila tau gene. Flies heterozygous or homozygous for tau P251L display age-dependent neurodegeneration, metabolic defects and accumulate DNA damage in affected neurons. To understand the molecular events promoting neuronal dysfunction and death in knock-in flies we performed single-cell RNA sequencing on approximately 130,000 cells from brains of tau P251L mutant and control flies. We found that expression of disease-associated mutant tau altered gene expression cell autonomously in all neuronal cell types identified and non-cell autonomously in glial cells. Cell signaling pathways, including glial-neuronal signaling, were broadly dysregulated as were brain region and cell-type specific protein interaction networks and gene regulatory programs. In summary, we present here a genetic model of tauopathy, which faithfully recapitulates the genetic context and phenotypic features of the human disease and use the results of comprehensive single cell sequencing analysis to outline pathways of neurotoxicity and highlight the role of non-cell autonomous changes in glia.

Age is the strongest risk factor for developing Alzheimer's disease, the most common neurodegenerative disorder. However, the mechanisms connecting advancing age to neurodegeneration in Alzheimer's disease are incompletely understood. We conducted an unbiased, genome-scale, forward genetic screen for age-associated neurodegeneration in Drosophila to identify the underlying biological processes required for maintenance of aging neurons. To connect genetic screen hits to Alzheimer's disease pathways, we measured proteomics, phosphoproteomics, and metabolomics in Drosophila models of Alzheimer's disease. We further identified Alzheimer's disease human genetic variants that modify expression in disease-vulnerable neurons. Through multi-omic, multi-species network integration of these data, we identified relationships between screen hits and tau-mediated neurotoxicity. Furthermore, we computationally and experimentally identified relationships between screen hits and DNA damage in Drosophila and human iPSC-derived neural progenitor cells. Our work identifies candidate pathways that could be targeted to attenuate the effects of age on neurodegeneration and Alzheimer's disease.

Abstract Aβ peptides derived from the amyloid precursor protein (APP) have been strongly implicated in the pathogenesis of Alzheimer’s disease. However, the normal function of APP and the importance of that role in neurodegenerative disease is less clear. We recovered the Drosophila ortholog of APP, Appl, in an unbiased forward genetic screen for neurodegeneration mutants. We performed comprehensive single cell transcriptional and proteomic studies of Appl mutant flies to investigate Appl function in the aging brain. We found an unexpected role for Appl in control of multiple cellular pathways, including translation, mitochondrial function, nucleic acid and lipid metabolism, cellular signaling and proteostasis. We mechanistically defined a role for Appl in regulating autophagy through TGFβ signaling and documented the broader relevance of our findings using mouse genetic, human iPSC and in vivo tauopathy models. Our results demonstrate a conserved role for APP in controlling age-dependent proteostasis with plausible relevance to Alzheimer’s disease.