Abstract Genome-wide association studies (GWAS) have identified more than thirty loci associated with Alzheimer’s disease (AD), but the causal variants, regulatory elements, genes and pathways remain largely unknown thus impeding a mechanistic understanding of AD pathogenesis. Previously, we showed that AD risk alleles are enriched in myeloid-specific epigenomic annotations. Here, we show that they are specifically enriched in active enhancers of monocytes, macrophages and microglia. We integrated AD GWAS signals with myeloid epigenomic and transcriptomic datasets using novel analytical approaches to link myeloid enhancer activity to target gene expression regulation and AD risk modification. We nominate candidate AD risk enhancers and identify their target causal genes (including AP4E1, AP4M1, APBB3, BIN1, CD2AP, MS4A4A, MS4A6A, PILRA, RABEP1, SPI1, SPPL2A, TP53INP1, ZKSCAN1, and ZYX) in sixteen loci. Fine-mapping of these enhancers nominates candidate functional variants that likely modify disease susceptibility by regulating causal gene expression in myeloid cells. In the MS4A locus we identified a single candidate functional variant and validated it experimentally in human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived microglia. Combined, these results strongly implicate dysfunction of the myeloid endolysosomal system in the etiology of AD.

ABSTRACT In response to central nervous system injury or disease, astrocytes become reactive, adopting context-dependent states and functional outputs. Certain inflammatory insults induce reactive astrocytes that lose homeostatic functions and gain harmful outputs through cellular pathways that are not fully understood. Here, we combined single-cell transcriptomics with CRISPRi screening in human iPSC-derived astrocytes to systematically interrogate inflammatory astrocyte reactivity. We found that autocrine-paracrine IL-6 and interferon signaling downstream of canonical NF-κB activation drove two distinct inflammatory reactive signatures – one promoted by and the other inhibited by STAT3. These signatures overlapped with those observed in other experimental contexts, including mouse models, and their markers were upregulated in the human brain in Alzheimer’s disease and hypoxic ischemic encephalopathy. Furthermore, we validated that these signatures were regulated by Stat3 in vivo. These results and the platform we established have the potential to guide the development of therapeutics to selectively modulate different aspects of inflammatory astrocyte reactivity.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is a public health priority for the 21 st century. Risk reduction currently revolves around lifestyle changes with much research trying to elucidate the biological underpinnings. Using self-report of parental history of Alzheimer’s dementia for case ascertainment in a genome-wide association study of over 300,000 participants from UK Biobank (32,222 maternal cases, 16,613 paternal cases) and meta-analysing with published consortium data (n=74,046 with 25,580 cases across the discovery and replication analyses), six new AD-associated loci (P<5x10 −8 ) are identified. Three contain genes relevant for AD and neurodegeneration: ADAM10, ADAMTS4, and ACE . Suggestive loci include drug targets such as VKORC1 (warfarin dose) and BZRAP1 (benzodiazepine receptor). We report evidence that association of SNPs and AD at the PVR gene is potentially mediated by both gene expression and DNA methylation in the prefrontal cortex. Our discovered loci may help to elucidate the biological mechanisms underlying AD and, given that many are existing drug targets for other diseases and disorders, warrant further exploration for potential precision medicine applications.

Abstract A genome-wide survival analysis of 14,406 Alzheimer’s disease (AD) cases and 25,849 controls identified eight previously reported AD risk loci and fourteen novel loci associated with age at onset. LD score regression of 220 cell types implicated regulation of myeloid gene expression in AD risk. In particular, the minor allele of rs1057233 (G), within the previously reported CELF1 AD risk locus, showed association with delayed AD onset and lower expression of SPI1 in monocytes and macrophages. SPI1 encodes PU.1, a transcription factor critical for myeloid cell development and function. AD heritability is enriched within the PU.1 cistrome, implicating a myeloid PU.1 target gene network in AD. Finally, experimentally altered PU.1 levels affect the expression of mouse orthologs of many AD risk genes and the phagocytic activity of mouse microglial cells. Our results suggest that lower SPI1 expression reduces AD risk by regulating myeloid gene expression and cell function.

Abstract A ~ 1 Mb inversion polymorphism exists within the 17q21.31 locus of the human genome as direct (H1) and inverted (H2) haplotype clades. This inversion region demonstrates high linkage disequilibrium, but the frequency of each haplotype differs across ancestries. While the H1 haplotype exists in all populations and shows a normal pattern of genetic variability and recombination, the H2 haplotype is enriched in European ancestry populations, is less frequent in African ancestry populations, and nearly absent in East Asian ancestry populations. H1 is a known risk factor for several neurodegenerative diseases, and has been associated with many other traits, suggesting its importance in cellular phenotypes of the brain and entire body. Conversely, H2 is protective for these diseases, but is associated with predisposition to recurrent microdeletion syndromes and neurodevelopmental disorders such as autism. Many single nucleotide variants and copy number variants define H1/H2 haplotypes and sub-haplotypes, but identifying the causal variant(s) for specific diseases and phenotypes is complex due to the extended linkage equilibrium. In this review, we assess the current knowledge of this inversion region regarding genomic structure, gene expression, cellular phenotypes, and disease association. We discuss recent discoveries and challenges, evaluate gaps in knowledge, and highlight the importance of understanding the effect of the 17q21.31 haplotypes to promote advances in precision medicine and drug discovery for several diseases. Graphical Abstract

To characterize systemic changes in genetic effects on brain development, the age variation of the associations of cholinergic genetic variants and theta band event-related oscillations (EROs) was studied in a sample of 2140 adolescents and young adults, ages 12 to 25 from the COGA prospective study. The theta band EROs were elicited in visual and auditory oddball (target detection) tasks and measured by EEG recording. Associations were found to vary with age, sex, task modality (auditory or visual), and scalp locality. Seven of the twenty-one muscarinic and nicotinic cholinergic SNPs studied in the analysis, from CHRM2, CHRNA3, CHRNA5, and CHRNB4, had significant effects on theta band EROs with considerable age spans for some sex-modality combination. No SNP-age-modality combination had significant effects in the same direction for males and females. Results suggest that nicotinic receptor associations are stronger before age 18, while muscarinic receptor associations are stronger after age 18.

ABSTRACT Importance Identifying individuals at risk for developing Alzheimer’s disease (AD) is of utmost importance. Although genetic studies have identified APOE and other AD associated single nucleotide polymorphisms (SNPs), genetic information has not been integrated into an epidemiological framework for personalized risk prediction. Objective To develop, replicate and validate a novel polygenic hazard score for predicting age-specific risk for AD. Setting Multi-center, multi-cohort genetic and clinical data. Participants We assessed genetic data from 17,008 AD patients and 37,154 controls from the International Genetics of Alzheimer’s Project (IGAP), and 6,409 AD patients and 9,386 older controls from Phase 1 Alzheimer’s Disease Genetics Consortium (ADGC). As independent replication and validation cohorts, we also evaluated genetic, neuroimaging, neuropathologic, CSF and clinical data from ADGC Phase 2, National Institute of Aging Alzheimer’s Disease Center (NIA ADC) and Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) (total n = 20,680) Main Outcome(s) and Measure(s) Use the IGAP cohort to first identify AD associated SNPs (at p < 10 -5 ). Next, integrate these AD associated SNPs into a Cox proportional hazards model using ADGC phase 1 genetic data, providing a polygenic hazard score (PHS) for each participant. Combine population based incidence rates, and genotype-derived PHS for each individual to derive estimates of instantaneous risk for developing AD, based on genotype and age. Finally, assess replication and validation of PHS in independent cohorts. Results Individuals in the highest PHS quantiles developed AD at a considerably lower age and had the highest yearly AD incidence rate. Among APOE ε3/3 individuals, PHS modified expected age of AD onset by more than 10 years between the lowest and highest deciles. In independent cohorts, PHS strongly predicted empirical age of AD onset (p = 1.1 x 10 -26 ), longitudinal progression from normal aging to AD (p = 1.54 x 10 -10 ) and associated with markers of AD neurodegeneration. Conclusions We developed, replicated and validated a clinically usable PHS for quantifying individual differences in age-specific risk of AD. Beyond APOE , polygenic architecture plays an important role in modifying AD risk. Precise quantification of AD genetic risk will be useful for early diagnosis and therapeutic strategies.

ABSTRACT The aggregation of tau proteins into insoluble filaments and the spread of these filaments across brain regions are the major drivers of neurodegeneration in tauopathies, including in Alzheimer’s disease (AD). Apolipoprotein E4 ( APOE4 ), a crucial genetic risk factor for late-onset AD, has been shown to exacerbate tau pathology in mouse models. However, the exact mechanisms through which APOE4 induces tau pathology remains unknown. Here, we report that the astrocyte-secreted protein glypican-4 (GPC-4), which we identify as a novel binding partner of APOE4, drives tau pathology. We discovered that GPC-4 preferentially interacts with APOE4 in comparison to APOE2, considered to be a protective allele to AD, and post-mortem APOE4-carrying AD brains highly express GPC-4 in neurotoxic astrocytes. The astrocyte-secreted GPC-4 induced both tau accumulation and propagation in vitro . CRISPR/dCas9 mediated activation of GPC-4 in a tauopathy mouse model robustly induced tau pathology. Using in vitro Tau FRET-biosensor cells, human iPSCs-derived astrocytes and an in vivo mouse model, we found that APOE4-induced tau pathology was greatly diminished in the absence of GPC-4. We further show that APOE4-mediated surface trafficking of APOE receptor low-density lipoprotein receptor-related protein 1 (LRP1) through GPC-4 can be a gateway to tau spreading. Together, our data comprehensively demonstrate that APOE4-induced tau pathologies are directly mediated by GPC-4.

ABSTRACT Background Increasing evidence for a direct contribution of astrocytes to neuroinflammatory and neurodegenerative processes causing Alzheimer’s disease comes from molecular studies in rodent models. However, these models may not fully recapitulate human disease as human and rodent astrocytes differ considerably in morphology, functionality, and gene expression. Methods To address these challenges, we established an approach to study human astroglia within the context of the mouse brain by transplanting human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived glia progenitors into neonatal brains of immunodeficient mice. Results Xenografted (hiPSC)-derived glia progenitors differentiate into astrocytes that integrate functionally within the mouse host brain and mature in a cell-autonomous way retaining human-specific morphologies, unique features and physiological properties. In Alzheimer’s chimeric brains, transplanted hiPSC-derived astrocytes respond to the presence of amyloid plaques with various morphological changes that seem independent of the APOE allelic background. Conclusion In sum, this chimeric model has great potential to analyze the role of patient-derived and genetically modified astroglia in Alzheimer’s disease.

Up to 80% of Parkinson's disease patients develop dementia, but time to dementia varies widely from motor symptom onset. Dementia with Lewy bodies presents with clinical features similar to Parkinson's disease dementia, but cognitive impairment precedes or coincides with motor onset. It remains controversial whether dementia with Lewy bodies and Parkinson's disease dementia are distinct conditions or represent part of a disease spectrum. The biological mechanisms underlying disease heterogeneity, in particular the development of dementia, remain poorly understood, but will likely be the key to understanding disease pathways and, ultimately, therapy development. Previous genome-wide association studies in Parkinson's disease and dementia with Lewy bodies/Parkinson's disease dementia have identified risk loci differentiating patients from controls. We collated data for 7804 patients of European ancestry from Tracking Parkinson's, The Oxford Discovery Cohort, and Accelerating Medicine Partnership-Parkinson's Disease Initiative. We conducted a discrete phenotype genome-wide association study comparing Lewy body diseases with and without dementia to decode disease heterogeneity by investigating the genetic drivers of dementia in Lewy body diseases. We found that risk allele rs429358 tagging